全釩液流電池國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及展望

1、全釩液流電池國(guó)內(nèi)外進(jìn)展?fàn)顩r及展望1、國(guó)內(nèi)外研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀有關(guān)釩電池的應(yīng)用爭(zhēng)辯主要集中在儲(chǔ)能領(lǐng)域。國(guó)外研發(fā)機(jī)構(gòu)投入大量的資金，進(jìn)展長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的深入爭(zhēng)辯，并相繼 在泰國(guó)、日本、美國(guó)、南非等地建成了KW-MW 級(jí)的釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于電站調(diào)峰，并給遙遠(yuǎn)地區(qū)供電。目前,國(guó)內(nèi)外 多家卓有成效的研發(fā)和應(yīng)用機(jī)構(gòu)進(jìn)展著釩電池研發(fā)，并已步 入商業(yè)化階段。澳大利亞釩液流電池的研發(fā)工作最早始于 1984 年，由澳大利亞南威爾士大學(xué) M Sya llas-K azacos 提出。1986 年，釩液流電池體系獲得專利。之后，對(duì)釩液流電池的相關(guān)材料，如隔 膜、導(dǎo)電聚合物電極、石墨氈等進(jìn)展了爭(zhēng)辯，并取得了多項(xiàng) 專利。199

2、4 年，釩液流電池用在高爾夫車上,4kWh 釩液流電池在潛艇上作為備用電源。1997 年 UNSW 將專利權(quán)轉(zhuǎn)售給澳大利亞 Pinnacle 礦業(yè)公司，南威爾士大學(xué)停頓了 V2+/V3+ 電對(duì)和 V4+/V5+電對(duì)在硫酸體系類型的釩電池爭(zhēng)辯。Pinnacle 公司又于 2022 年將在日本和非洲大陸的專利許可分別授予了日本住友公司和加拿大 Vanteck 公司。普能國(guó)際加拿大 VRB 能源系統(tǒng)公司其前身為加拿大 Vanteck 技術(shù)公司，2022 年 10 月通過控股Pinnacle 公司，從而擁有釩電池核心技術(shù)，2022 年改名為VRB 能源系統(tǒng)公司(VRB Power Systerms)，

3、從事釩電池技術(shù)的開發(fā)和轉(zhuǎn)讓。2022 年 11 月，VRB 能源公司由于財(cái)務(wù)問題和經(jīng)濟(jì)危機(jī)，停頓了其全部業(yè)務(wù)。2022 年北京普能公司收購(gòu)了VRB 能源公司，成立普能國(guó)際。泰國(guó)Cellennium(泰國(guó))是一家致力于釩電池開發(fā)的 公司，其釩電池單電池開路電壓從1.1V1.6V，電池堆垂直放置并承受獨(dú)有的溶液串聯(lián)構(gòu)造設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：根本消退旁路電流；由于易于檢測(cè)堵塞和電解水可快速被阻擋因而格外安全；電解液流速和泵功率比溶液并聯(lián)構(gòu)造小因而系統(tǒng)效率高。另外，該公司電解液制備也很有特點(diǎn)：可持續(xù)生產(chǎn)， 本錢低。日本目前，日本已建立了 15 座液流儲(chǔ)能電池電站，并向意大利和南非出口了兩座全釩液流儲(chǔ)能電池

4、系統(tǒng)。住友電工住友電工與 K ansa i E lectr ic Power 公司自 1985 年開頭合作開發(fā)釩液流電池。1989 年，住友電工的電站調(diào)峰用 60kW級(jí)釩液流電池建成，運(yùn)行 5 年，循環(huán) 1819 次。1991 1994年研制成功 60kW 電堆，電堆運(yùn)行 5 年，循環(huán)周期達(dá) 1819次。目前，住友電工的 20kW 試驗(yàn)室釩液流電池電堆已循環(huán)16000 次，除了電池隔膜的壽命有限，其他組件包括電解液，都是可以循環(huán)使用的，這一特性較其他壽命有限的化學(xué)電源來有很大的本錢優(yōu)勢(shì)。住友電工自 2022 年起建設(shè)的商用釩液流電池系統(tǒng)，其經(jīng)把握完整的生產(chǎn)和組建釩電池系統(tǒng)的全 套技術(shù)，其技術(shù)成

5、熟度居世界首位。日本K ashima- K ita 電力公司Kashima- Kita 電力公司是日本最大的私營(yíng)電力公司,與日本電工試驗(yàn)室從 1990 年開頭開發(fā) VRB 技術(shù),1992 年獲得UNSW 專利許可。日本的其它研發(fā)機(jī)構(gòu)有：三菱化工 1993 年獲得 UNSW專利許可， 1994 年開發(fā)光伏系統(tǒng)用釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，建成50kW50h(單電堆為 2kW5h)系統(tǒng)。1997 年，橫濱大學(xué)開展釩電池隔膜商業(yè)化的爭(zhēng)辯。離子交換膜承受交聯(lián)技術(shù)得到好的性能，釩電池電流效率 93.5%， 電壓效率達(dá) 87.7%，總效率達(dá) 82%。日本 NEDO 在北海道實(shí)施了 2022 2022 年的實(shí)證試驗(yàn)工程

6、,為Hokkaido 公司30.6MW 風(fēng)力發(fā)電廠供給6MW20min 或 4MW1.5h 儲(chǔ)電容量，作為風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)前的穩(wěn)定化。美國(guó)2022 年美國(guó)能源部投入 370 萬美元在俄亥俄安裝 1MW/8MWh 釩電池系統(tǒng)用于智能電網(wǎng)示范 , 蒙大拿也將安裝50kW6h 釩電池系統(tǒng)用于 50kW 風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電。奧地利Cellstrom 是奧地利專注于釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)開發(fā)的公司， 從 2022 年開頭至 2022 年開發(fā)出第一個(gè)系列產(chǎn)品 FB10 /100, 可供給 10kW/100kWh 電力，48V 直流電，DC to DC 效率為80%，尺寸為 410022002405。該電池用于太陽能電動(dòng)汽車充

7、電站，可再生能源發(fā)電廠，離網(wǎng)電場(chǎng)以及通訊基站。北京普能世紀(jì)科技普能公司于 2022 年成立，專注于釩電池的研發(fā)、制造與商業(yè)化應(yīng)用。2022 年 1 月,普能公司實(shí)現(xiàn)對(duì)加拿大 VRB Power System 公司(VRB Power 公司) 的資產(chǎn)收購(gòu)，包括VRBPower 公司擁有或把握的全部專利、商標(biāo)、技術(shù)隱秘、設(shè)備材料等。此外，VRB Power 公司的核心技術(shù)團(tuán)隊(duì)參加合并后的公司，為普能公司帶來超過十年的釩電池領(lǐng)域研發(fā)經(jīng) 驗(yàn),使其在電堆構(gòu)造、關(guān)鍵材料、系統(tǒng)集成等方面取得突破性 的進(jìn)展。目前,普能公司總部與工廠位于北京，在加拿大運(yùn)營(yíng) 的公司名稱為普能國(guó)際。普能公司擁有釩電池領(lǐng)域 29 項(xiàng)

8、專利掩蓋全球 24 個(gè)國(guó)家和地區(qū),這些專利包括核心電堆設(shè)計(jì)、電解液配置、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì),以及在風(fēng)力發(fā)電、離網(wǎng)供電系統(tǒng) 和智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。中科院大連化物所大化所 2022 年和 2022 年分別開發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái) 10kW 和100kW 全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。研制的額定輸出為 10kW 的電池模塊。最大穩(wěn)定放電功率到達(dá) 28.8kW 以上；研制的全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的額定輸出功率為 100kW，能量轉(zhuǎn)換效率到達(dá) 75%。2022 年 8 月同西藏太陽能爭(zhēng)辯示范中心合作，在西藏進(jìn)展“太陽能光伏發(fā)電液流儲(chǔ)能電池儲(chǔ)電”聯(lián)合供電系統(tǒng)的應(yīng) 用示范。2022 年 7 月，安裝成功了一套“太陽能光伏發(fā)電5kW

9、/50kWh 液流電池儲(chǔ)電”聯(lián)合供電系統(tǒng)。截至 2022 年 3 月，示范系統(tǒng)已連續(xù)、無故障運(yùn)行 8 個(gè)月。大化所釩電池演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)為 2kW，8kWh，至今實(shí)現(xiàn)全充/全放循環(huán) 6700 余次。經(jīng)測(cè)試,電池模塊的充/放電能量轉(zhuǎn)化效率未見衰減。沈陽金屬爭(zhēng)辯所金屬所金屬腐蝕與防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室自 2022 年以來，在沈陽市、遼寧省及國(guó)家多個(gè)工程資助下，在釩電池雙極板、 溶液、隔膜等關(guān)鍵材料的制備與評(píng)價(jià)、釩電池工作機(jī)制及影響規(guī)律、電池構(gòu)造與集成等方面取得了較顯著的技術(shù)進(jìn)展。在沈陽市科技打算的支持下，在沈陽科學(xué)宮建立了光伏發(fā)電釩電池儲(chǔ)能示范電站，為科學(xué)宮的亮化供給電力，并兼具 科研和科普呈現(xiàn)功能。清華

10、大學(xué)與承德萬里通承德萬利通集團(tuán)與清華大學(xué)聯(lián)合組成了液流電池爭(zhēng)辯中心。全釩液流儲(chǔ)能電池工程是承德市百項(xiàng)工程，工程總投資 5.56 億元，占地 360 畝,建筑面積 14 萬平方米，年產(chǎn)四種規(guī)格總?cè)萘?500MKWH 的全釩液流電池 8600 組。將建成：5 千瓦、20 千瓦全釩液流電池單元模塊裝配線；質(zhì)子傳導(dǎo)膜生產(chǎn)線；雙極板電極生產(chǎn)線；電解質(zhì)溶液生產(chǎn)線； 液流電池系統(tǒng)測(cè)試與質(zhì)量檢測(cè)線。 投入正常生產(chǎn)(500MWH )年銷售收入 2.56 億美元，增值稅、城建稅及訓(xùn)練附加總體稅負(fù) 0.28 億美元，利潤(rùn) 0.533 億美元，所得稅 0.133億美元，稅后利潤(rùn) 0.4 億美元。攀鋼釩電池爭(zhēng)辯進(jìn)展20

11、22 年至今攀鋼釩電池取得了可喜的成果，形成了多項(xiàng)具有自主學(xué)問產(chǎn)權(quán)的專有技術(shù)，在電解液、電極改性處理、 導(dǎo)電塑料集流體制備和電池構(gòu)造等方面獲得和正在申請(qǐng)的國(guó)家制造專利有 12 項(xiàng)，有用型專利 2 項(xiàng)。先后研制組裝了 5kW 級(jí)釩電池樣機(jī)(第一代樣機(jī))和 2kW 釩電池(其次代樣機(jī))備用電源演示系統(tǒng)。自 2022 年以來，對(duì)電池的各個(gè)部件開展了爭(zhēng)辯，又開發(fā)了第 2.5 代樣機(jī)和第三代樣機(jī)，建立了太陽能釩電池示范工程。目前，攀鋼釩電池電解液均承受攀鋼生產(chǎn)的釩原料，制 備的硫酸氧釩中釩濃度在 0.13.0mol/L 可調(diào)，電解液可規(guī)模制備，所制備出的電解液雜質(zhì)含量低、本錢低廉。攀鋼釩電 池承受導(dǎo)電塑

12、料集流體與國(guó)產(chǎn)石墨氈電極，大大降低電池成 本。釩電池電極材料經(jīng)過特別的活化處理，大幅度提高了電極電化學(xué)活性。電池承受獨(dú)特的構(gòu)造確保電池堆的密封性能，并減小自放電。大面積電極電池模塊研制成功，提高了 電池的功率密度、降低了本錢，并提高了電池裝配效率，大 面積電極電池使得釩電池在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用方面具備了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)的中國(guó)工程物理爭(zhēng)辯院電子工程爭(zhēng)辯所、東北大學(xué)、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、浙江大學(xué)、中山大學(xué)、重慶大學(xué)等機(jī)構(gòu) 在電極及集流體材料的制備、高濃度電解液的穩(wěn)定性等方面 進(jìn)展試驗(yàn)爭(zhēng)辯。展望釩電池研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)難題大面積復(fù)合雙電極的制備目前正在進(jìn)展研制的復(fù)合電極是由導(dǎo)電塑料和石墨氈電極一體化復(fù)合而成。雖然導(dǎo)

13、電塑料作為集流體在耐腐蝕性 能上優(yōu)于石墨板，但就目前的爭(zhēng)辯結(jié)果看，導(dǎo)電塑料集流體 導(dǎo)電性能和機(jī)械性能較差，規(guī)模化制備技術(shù)尚未把握，制備 大面積復(fù)合雙電極時(shí)存在著復(fù)合工藝難等問題。石墨氈電極材料制備進(jìn)口石墨氈的導(dǎo)電性能較好，石墨化程度高，但價(jià)格昂貴；國(guó)產(chǎn)石墨氈雖然本錢低,但石墨化程度低，導(dǎo)電性能較差。 進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)的石墨氈孔隙率較小，較為致密，其外表活性均不夠抱負(fù)，因此，制備石墨化程度高、質(zhì)地疏松、本錢較低的石墨氈電極是釩電池面臨的難題之一。電池隔膜是制約釩電池進(jìn)展的重要因素釩電池離子交換膜需具有高選擇透過性、高離子傳導(dǎo)率、低電阻率，低水遷移率、低本錢的離子交換膜。目前所 承受的國(guó)產(chǎn)膜電阻高于杜邦

14、膜的電阻性能，自放電較大，離 子選擇透過性能較差，且價(jià)格照舊較昂貴 ,特別是水遷移較大，隨充、放電循環(huán)運(yùn)行次數(shù)的增加，正、負(fù)極溶液濃度及 體積發(fā)生變化,最終也將影響釩液流電池系統(tǒng)的能量效率和使用壽命。因此，選擇適合的隔膜材料，對(duì)其進(jìn)展接枝、鉸 鏈或復(fù)合等改性處理，提高隔膜導(dǎo)電率和離子選擇透過性， 削減水遷移量,降低隔膜本錢是釩電池開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)。電解液方面的問題穩(wěn)定的高濃度電解液，較寬的溫度適應(yīng)性以及較低雜質(zhì)濃度和本錢是電解液亟待解決的問題。電池組裝方面的問題在實(shí)際應(yīng)用中的液流蓄電系統(tǒng)電堆的輸出功率一般在數(shù)十kW 到數(shù)百 MW 范圍。釩電池系統(tǒng)的規(guī)模放大不是簡(jiǎn)潔的尺寸上的增大，而是涉及到

15、非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)、傳熱及電化學(xué)等 簡(jiǎn)單的化工過程。電解質(zhì)溶液安排、充放電制度及電堆內(nèi)部 公用孔道構(gòu)造對(duì)電池性能均有影響。因此，電池組裝設(shè)計(jì)研 究也是釩電池爭(zhēng)辯的重要內(nèi)容之一。釩電池及其與其它儲(chǔ)能系統(tǒng)的比較釩氧化復(fù)原液流電池是以釩離子溶液為正、負(fù)極活性物質(zhì)的二次電池。釩具有多種價(jià)態(tài),V5+、V4+、V3+和 V2+, 其化學(xué)行為活潑，在酸性介質(zhì)中可形成相鄰價(jià)態(tài)的電對(duì)其中V5+/V4+、和V3+/V2+兩電對(duì)的電位差約 1.25V。2釩電池正、負(fù)極室通過隔膜分開，電極由電極和集流板 構(gòu)成；正極電解液由 V5+和V4+離子溶液組成，負(fù)極電解液由V3+和V2+離子溶液組成,其構(gòu)造見以下圖。電池充電后，正極物

16、質(zhì)為V5+離子溶液, 負(fù)極為 V2+離子溶液；放電后,正、負(fù)極分別為V4+和V3+離子溶液，電池內(nèi)部通過 H+導(dǎo)電。V5+和V4+ 離子在酸性溶液中分別以 VO2+離子和 VO+ 離子形式存在， 故釩電池的正負(fù)極反響可表述如下：據(jù)國(guó)際儲(chǔ)能技術(shù)聯(lián)合會(huì)(ESA)的爭(zhēng)辯報(bào)告，能夠用于大規(guī)模固定儲(chǔ)能的抱負(fù)形式還是液流儲(chǔ)能系統(tǒng)，其中釩電池前 景最為看好。釩電池前景展望釩電池可作為儲(chǔ)能電源主要應(yīng)用在電廠調(diào)峰以平衡負(fù)荷, 大規(guī)模光電轉(zhuǎn)換、風(fēng)能發(fā)電的儲(chǔ)能電源、智能電網(wǎng)以及作為邊緣地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)，不連續(xù)電源或應(yīng)急電源系統(tǒng)，市政交通和軍事設(shè)施。隨著釩電池產(chǎn)業(yè)鏈的形成和完善，釩電池將進(jìn)入一個(gè)快速進(jìn)展時(shí)期，釩電池關(guān)鍵技術(shù)突破以及性價(jià)比 的進(jìn)一步提高將使釩電池產(chǎn)業(yè)化指日可待。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速持續(xù)進(jìn)展，能源供給、能源安全及環(huán)境 壓力急增，能源的可持續(xù)