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    液流電池大規模商業化的挑戰與策略

    作者:中國儲能網新聞中心 來源:中和儲能 發布時間:2022-08-19 瀏覽:

    中國儲能網訊:液流電池作為一種比較成熟的新型儲能技術受到了廣泛的關注,擁有安全性高、循環壽命長等特點,并且可以與間歇性可再生能源相配合。目前,主流的液流電池可以根據電解液體系的不同劃分為全釩液流電池、鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池、鋅鐵液流電池等技術路線。

    就目前國內的液流電池發展而言,全釩液流電池發展得最為突出,商業化程度最高,裝機規模也最大,國內從事全釩液流電池的企業和產業配套都趨于成熟,逐漸進入了商業化初期的進程,并且發展迅猛。相較于鋰資源,我國釩礦資源較為充足,不會出現短缺現象。

    鐵鉻液流電池則主要受限于其陰極嚴重的析氫反應,并且鉻離子活性較差,須配合催化劑使用。雖然其原材料廉價易得,但其電池效率和整體功率密度難以穩定,因此主要還在工程化示范階段,其發展也遠落后于全釩液流電池。另外鉻的供應海外依存度接近100%,這是一個潛在的風險。

    鋅溴、鋅鐵液流電池在國內發展進度稍遜于國外,它們具有較高的能量密度以及較低的材料成本等特性,但鋅基液流電池在長循環過程中,電解液中的鋅離子容易擴散至電極表面的凸起處,形成鋅枝晶,鋅枝晶的不斷生長會刺破隔膜,最終導致電池短路失效。因此,鋅基液流電池必須解決鋅枝晶形成和生長的問題,才能實現真正的應用。其后續商業化前景廣闊,但目前國內的技術路線和產業鏈尚不成熟,處于初期階段,還需要不斷創新發展才能實現大規模應用。

    截至2020年底,全球正在運行的儲能項目累計裝機容量達到191.1吉瓦,其中抽水蓄能累計裝機容量最大,占比90.3%。同時,電化學儲能的裝機容量緊隨其后,占比7.5%,包括鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池和液流電池等。不久前,國家發改委、國家能源局印發的《"十四五"新型儲能發展實施方案》也明確提出要大力開展鈉離子電池、新型鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池等關鍵核心技術、裝備和集成優化設計研究。國家能源局還在《防止電力生產事故的二十五項重點要求(2022年版)(征求意見稿)》中,明確了對新興電化學儲能技術的安全性提出了具體要求,明確將三元鋰離子電池、鈉硫電池從中大型電化學儲能可選方案中剔除。

    液流電池在工程化和商業化上還存在一定挑戰,目前液流電池的示范項目數量偏少,基本以MW級別為主,混合型示范居多,結合鐵鋰、三元等鋰離子電池混合應用與考察,全液流電池獨立示范項目偏少。截至2021年底,中國液流電池累計裝機量規模約合200MW,占儲能累計裝機量比例約為0.4%,但其裝機量正在飛速提升。據有關機構測算,以2025年電化學儲能累計30GW計算,隨著釩電池商業化推廣的加速,預計2025年全釩液流電池新增裝機可達1.7GW,新增滲透率達20%;同時到2025年釩電池累計裝機可達4.3GW,累計滲透率達14%。全釩液流電池累計裝機2020-2025年CAGR達112%,釩液流電池市場前景廣闊。

    目前,對于釩液流電池儲能來說高成本是阻礙其商業化的最大因素。我國全釩液流電池初裝成本雖低于國際水平,但與鉛蓄、鋰離子電池相比依然處于較高水平,鉛蓄和鋰離子電池受快速發展帶來的規模效應影響,近年成本下降較快,導致其增量遠多于液流電池。目前,全釩液流電池儲能系統的EPC成本約在3-4元/Wh,為鋰電池系統的兩倍左右。雖然根據相關測算,預計在2030年可以將成本下降一半,但仍會高于市面上其它較有競爭力的電池體系。

    全釩液流電池系統成本受關鍵材料、電堆結構、操作條件等多因素的影響。釩電池儲能系統中,成本占比最大的為釩電解液,占總成本的40%左右,電堆成本達到35%以上,其它占25%左右。我們在之前的文章中對全釩液流電池的降本路徑做了一定分析,主要集中在一方面提高材料的化學循環穩定性,使得材料在液流電池中能夠擁有更長的使用壽命,從而降低系統整體成本;另一方面降低使用材料的成本,將液流電池中成本占比最高的電解液以及電堆的生產成本降低,從而降低釩電池整體成本;此外,也包括提高系統整體性能,實現在輸出功率不變的情況下,降低電堆尺寸,從而降低材料用量。

    而對于液流電池儲能系統來說,還有一些實際應用上的問題需要繼續優化。比如說,電解質溶解度低會導致能量密度低,電極的孔隙率會影響電池的極化和能量效率。此外,流場結構的設計會增加傳質阻力,膜選擇性可能會導致離子交叉滲透和電解質失衡。然后,建模精度問題導致對性能參數的估計不準確,從而導致電池性能下降;堆疊布局導致傳輸延遲和濃度極化。上述問題都可能制約全釩液流系統的快速推廣。

    在工程上可能會影響電池性能的問題包括組件的電化學退化、電解液泄漏和關鍵組件的機械故障等。在全釩液流電池運行過程中存在電解液分布不均、流動死區、釩離子擴散、析氫氧副反應、電解液失衡、容量衰減、自放電、傳質阻塞、局部極化等現象,從而導致電池效率下降,影響電池的整體性能。這些問題需要通過流場設計、流量優化、堆棧優化、降低能耗等運行優化策略來解決,使全釩液流電池系統運行在最優狀態。因此,通過優化電池運行以提高整體電池性能并降低關鍵部件的成本,可以進一步推動釩電池的廣泛商業化。在此背景下,全釩液流電池系統的結構設計和運行優化是提高電池性能的一種重要方法,通常不需要巨大的改進成本,因此運行參數的優化在電池系統的工業應用中具有重要意義。

    雖然全釩液流電池具有能量密度低、操作復雜等問題,但優點也非常突出:不易燃安全風險低,使用壽命長且電解質可回收,電池容量可靈活擴展適宜于將來增加放電時長的需求,可在不損壞電池的情況下實現 100% 放電等。因此,全釩液流電池非常適用于中大規模儲能應用,特別是在光伏、風能等新能源領域。其成敗就在于是否能集全行業之力通過以下幾個途徑來降低初裝成本:

    研發生產成本更低的替代性材料;

    分工細作,通過標準化和規?;a來降低各部件的加工成本;

    優化部件設計、工程建設、及系統運行參數,實現更高的系統效率。

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    關鍵字:液流電池

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