中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近期，大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站正式并網(wǎng)發(fā)電。該電站是目前全球最大的釩液流電池儲(chǔ)能電站，并網(wǎng)規(guī)模100兆瓦/400兆瓦時(shí)。eo特轉(zhuǎn)載此文，介紹液流電池的發(fā)展歷程、技術(shù)特點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀，以及全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)格及生命周期的經(jīng)濟(jì)性。本文原標(biāo)題為《全釩液流電池的技術(shù)進(jìn)展、不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)系統(tǒng)的價(jià)格分析及展望》。
作者：張華民
單位：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
引用：張華民. 全釩液流電池的技術(shù)進(jìn)展、不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)系統(tǒng)的價(jià)格分析及展望[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2022,11(09):2772-2780.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0246
2020年9月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上向世界莊嚴(yán)宣布：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，就要深化以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)改革，2060年的能源供給體系將會(huì)以“新能源+儲(chǔ)能”的方式存在。這種供給體系既能有效降低碳排放，達(dá)到“碳中和”目標(biāo)，又能提供安全穩(wěn)定的電力能源。
新型儲(chǔ)能技術(shù)是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要組成和基礎(chǔ)裝備，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)支撐，也是催生國(guó)內(nèi)能源新業(yè)態(tài)、搶占國(guó)際戰(zhàn)略新高地的重要領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)，到2025年我國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量要達(dá)到3000萬(wàn)千瓦以上，2030年要提高到1億千瓦，抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá)到1.2億千瓦。
我國(guó)的風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電裝備的制造技術(shù)和制造能力已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，新型儲(chǔ)能技術(shù)將是瓶頸技術(shù)。如果要求可再生能源發(fā)電配置10%—20%的儲(chǔ)能裝備，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)大于4h，產(chǎn)生的巨大儲(chǔ)能市場(chǎng)，特別是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)將極大地推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
已經(jīng)實(shí)用化的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)主要包括物理儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能。物理儲(chǔ)能技術(shù)以抽水儲(chǔ)能為主，抽水儲(chǔ)能具有規(guī)模大、壽命長(zhǎng)、安全可靠、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)規(guī)模一般在百兆瓦以上，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)可達(dá)數(shù)天，適用于電力系統(tǒng)的削峰填谷、電網(wǎng)調(diào)峰、緊急事故備用容量等應(yīng)用。但抽水儲(chǔ)能需要特殊的地理?xiàng)l件，建設(shè)的局限性較大，難以滿足可再生能源發(fā)電分布式建設(shè)及電網(wǎng)系統(tǒng)分散式、局部自愈能力和智能化的要求，要滿足建立“新能源+儲(chǔ)能”的新型電力系統(tǒng)的需要，除抽水儲(chǔ)能技術(shù)外，還包括電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)及儲(chǔ)熱技術(shù)等多種儲(chǔ)能技術(shù)。
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)是指利用電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安裝便捷及運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，用于風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要包括鋰離子電池技術(shù)、液流電池技術(shù)、鉛碳電池技術(shù)、鈉離子電池技術(shù)等，建設(shè)規(guī)模一般在數(shù)百千瓦到數(shù)百兆瓦級(jí)范圍。根據(jù)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不同，通?？煞譃殡娋W(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、電源側(cè)儲(chǔ)能和用戶側(cè)儲(chǔ)能。任何一種儲(chǔ)能技術(shù)都不能包打天下，各種儲(chǔ)能技術(shù)可根據(jù)自身的特點(diǎn)，選擇其適用的應(yīng)用領(lǐng)域。
01
全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的特點(diǎn)
液流電池是Thaller（NASA Lewis Research Center，Cleveland，United States）于1974年提出的。傳統(tǒng)的液流電池是通過(guò)正、負(fù)極電解液活性物質(zhì)發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。充電時(shí)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)使活性物質(zhì)價(jià)態(tài)升高；負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)使活性物質(zhì)價(jià)態(tài)降低；放電過(guò)程與之相反。Thaller提出的是鐵/鉻液流電池體系，盡管很多企業(yè)和研究部門開展了鐵/鉻液流電池的研究開發(fā)和工程驗(yàn)證，由于該液流電池體系存在著諸多問(wèn)題，至今沒(méi)有得到商業(yè)化應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初，澳大利亞新南威爾士大學(xué)Skyllas-Kazacos教授提出了全釩液流電池體系并做了全面有效的研究工作，內(nèi)容涉及電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、電極材料、膜材料評(píng)價(jià)及改性、電解質(zhì)溶液制備方法及雙極板的開發(fā)等方面，為全釩液流電池科學(xué)及技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
釩離子有4種價(jià)態(tài)，全釩液流電池正、負(fù)極電解液的儲(chǔ)能活性物質(zhì)都是釩離子，是利用正、負(fù)極電解液中釩離子價(jià)態(tài)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放，由于全釩液流電池具有安全性高、儲(chǔ)能規(guī)模大、充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)、電解液可循環(huán)利用、生命周期中性價(jià)比高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，近年越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究開發(fā)、工程應(yīng)用示范不斷取得重要進(jìn)展，發(fā)展越來(lái)越快，技術(shù)越來(lái)越成熟，成本越來(lái)越低，已進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用階段，具有巨大的市場(chǎng)前景。
全釩液流電池技術(shù)具有以下特點(diǎn)。
（1）全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)本征安全，運(yùn)行可靠，全生命周期環(huán)境友好。
全釩液流電池的電解液為釩離子的稀硫酸水溶液，只要控制好充放電截止電壓，保持電池系統(tǒng)存放空間通風(fēng)良好，即可本征安全，不存在著火爆炸的危險(xiǎn)。電解液在密封空間內(nèi)循環(huán)使用，在使用過(guò)程中通常不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染物質(zhì)，也不會(huì)受外部雜質(zhì)的污染。此外，全釩液流電池中正、負(fù)極電解液儲(chǔ)能活性物質(zhì)同為釩離子，不會(huì)發(fā)生正、負(fù)極電解液活性物質(zhì)的互串而發(fā)生儲(chǔ)能容量的不可逆衰減，常年運(yùn)行由于微量的副反應(yīng)和正、負(fù)極電解液微量互串的累計(jì)造成的容量衰減可以通過(guò)在線或離線再生反復(fù)循環(huán)利用。電堆和系統(tǒng)主要是由碳材料、塑料和金屬材料組裝而成，當(dāng)全釩液流電池系統(tǒng)廢棄時(shí)，金屬材料可以循環(huán)利用，碳材料、塑料可以作為燃料加以利用。因此，全釩液流電池系統(tǒng)全生命周期內(nèi)安全性好，環(huán)境負(fù)荷很小，環(huán)境非常友好。大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司（簡(jiǎn)稱融科儲(chǔ)能）2012年12月在遼寧省法庫(kù)國(guó)電龍?jiān)磁P牛石50MW風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的5MW/10MWh儲(chǔ)能電站運(yùn)行了近9年時(shí)，儲(chǔ)能容量有所衰減，經(jīng)過(guò)在線恢復(fù)后，儲(chǔ)能容量恢復(fù)到了10MWh。目前，該儲(chǔ)能電站已運(yùn)行了9年多，仍正常穩(wěn)定運(yùn)行。
（2）全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率和儲(chǔ)能容量相互獨(dú)立，設(shè)計(jì)和安裝靈活，適用于大規(guī)模、大容量、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。
如圖1所示，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率由電堆的大小和數(shù)量決定，而儲(chǔ)能容量由電解液的體積決定。要增加輸出功率，只要增大電堆的電極面積和增加電堆的數(shù)量就可實(shí)現(xiàn)；要增加儲(chǔ)能容量，只要增加電解液的體積就可實(shí)現(xiàn)。特別適合于需要大規(guī)模、大容量、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能裝備的應(yīng)用場(chǎng)合。全釩液流電池系統(tǒng)的輸出功率通常在數(shù)百瓦至數(shù)百兆瓦，儲(chǔ)能容量在數(shù)百千瓦時(shí)至數(shù)百兆瓦時(shí)。
圖1 全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率和儲(chǔ)能容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)
（a）要增加輸出功率，僅需增加電堆的數(shù)量；（b）要增加儲(chǔ)能容量，僅需增加電解液的體積
（3）能量轉(zhuǎn)換效率高，啟動(dòng)速度快，無(wú)相變化，充放電狀態(tài)切換響應(yīng)迅速。
全釩液流電池在室溫條件下運(yùn)行，電解質(zhì)溶液在電解液儲(chǔ)罐和電堆之間循環(huán)流動(dòng)，在充、放電過(guò)程中通過(guò)溶解在水溶液中釩離子的價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放，沒(méi)有相變化。所以，充放電狀態(tài)切換響應(yīng)迅速，融科儲(chǔ)能的兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)，由80%充電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到80%的放電狀態(tài)所需的時(shí)間小于100ms，主要是由指令信號(hào)的傳遞速度決定的。所以，既可用于調(diào)幅調(diào)頻、可再生能源并網(wǎng)，又可用于輔助服務(wù)、電網(wǎng)調(diào)峰及緊急備用儲(chǔ)能電站。
（4）全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，易于系統(tǒng)集成和規(guī)模放大。
全釩液流電池電堆是由多個(gè)單電池按壓濾機(jī)方式疊合而成的。目前，產(chǎn)業(yè)化的單體電堆的額定輸出功率一般在30—80kW。儲(chǔ)能系統(tǒng)通常是由多個(gè)單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊組成，單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊額定輸出功率一般在500kW左右。與其他電池相比，全釩液流電池電堆和電池單元儲(chǔ)能系統(tǒng)模塊額定輸出功率大，均勻性好，易于集成和規(guī)模放大。如圖2所示，融科儲(chǔ)能200MW/800MWh國(guó)家示范儲(chǔ)能電站的一期工程，單體電堆的額定輸出功率是31.5kW，有8個(gè)這樣的單體電堆組成了一套可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)充放電控制的500kW/2MWh儲(chǔ)能模塊，由50套儲(chǔ)能模塊構(gòu)建1套具有就地監(jiān)控系統(tǒng)的25MW/100MWh儲(chǔ)能單元，最后再由4套儲(chǔ)能單元構(gòu)建出100MW/400MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
圖2 大連200MW/800MWh國(guó)家儲(chǔ)能示范電站（一期：100MW/400MWh）模塊化結(jié)構(gòu)示意圖
（5）具有強(qiáng)的過(guò)載能力和深放電能力
儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，電解液通過(guò)循環(huán)泵在電堆內(nèi)循環(huán)，電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)擴(kuò)散的影響較??；而且，電極反應(yīng)活性高，活化極化較小。與其他電池不同，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很好的過(guò)載能力，充放電沒(méi)有記憶效應(yīng)，具有很好的深放電能力。
全釩液流電池也存在不足之處：①儲(chǔ)能系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)復(fù)雜；②為使儲(chǔ)能系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)下連續(xù)工作，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要包括電解質(zhì)溶液循環(huán)泵、電控設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、電解液溫控設(shè)備等支持設(shè)備，并給這些儲(chǔ)能系統(tǒng)支持設(shè)備提供能量，所以全釩液流電池系統(tǒng)通常不適用于小型儲(chǔ)能系統(tǒng)；③受釩離子溶解度等的限制，全釩液流電池的能量密度較低，只適用于對(duì)體積、重量要求不高的固定儲(chǔ)能電站，而不適合用于移動(dòng)電源和動(dòng)力電池。
02
全釩液流電池的研究開發(fā)和工程應(yīng)用現(xiàn)狀
自1974年Thaller提出以來(lái)，美國(guó)及日本的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)均開展了鐵/鉻液流電池技術(shù)的研究開發(fā)，日本企業(yè)開發(fā)出數(shù)十千瓦級(jí)的電池系統(tǒng)。然而，由于Cr半電池的反應(yīng)可逆性差，使電堆的電流密度低即功率密度低，電池體積大、材料成本高，電池反應(yīng)溫度要維持在60℃以上，造成系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化效率低且電堆密封困難，電解液濃度低占地面積大，支持電解液為鹽酸水溶液，腐蝕性嚴(yán)重且容易析氫等問(wèn)題，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。日本住友電工20世紀(jì)80年代初，放棄了鐵/鉻液流電池的研究開發(fā)，致力于全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的開發(fā)。
近年來(lái)隨著電池材料技術(shù)和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，使電池內(nèi)阻不斷減小，性能不斷提高。在保持電堆的能量效率不低于80%的條件下，電池工作電流密度由原來(lái)的60—80mA/cm2提高到200—300mA/cm2。電池的功率密度顯著提高，材料使用量減少，電堆成本大幅度降低。
住友電工在北海道建造了一套輸出功率為4MW，儲(chǔ)能容量為6MWh的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，用于對(duì)30MW風(fēng)電場(chǎng)的調(diào)幅、調(diào)頻和平滑輸出并網(wǎng)，2016年住友電氣與北海道電力公司合作，在北海道札幌市附近建造的15MW/60MWh全釩液流電池儲(chǔ)能電站，已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行了6年。澳大利亞、加拿大、德國(guó)、奧地利、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家的企業(yè)也在開展全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，并將其應(yīng)用于光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的儲(chǔ)能電站。
中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（簡(jiǎn)稱大連化物所）張華民研究團(tuán)隊(duì)自2000年開始布局液流電池技術(shù)的研究開發(fā)，在液流電池關(guān)鍵材料、核心部件、儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成、控制管理等方面都取得了國(guó)際領(lǐng)先的成果，在液流電池領(lǐng)域獲得國(guó)家授權(quán)專利280余件，國(guó)際專利30余件，形成了完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。2008年技術(shù)入股創(chuàng)立融科儲(chǔ)能，張華民兼任常務(wù)副總經(jīng)理和首席科學(xué)家，在全球率先實(shí)施了全釩液流電池的產(chǎn)業(yè)化。
多年來(lái)，大連化學(xué)物理研究所—融科儲(chǔ)能合作團(tuán)隊(duì)，在電池材料，包括電解質(zhì)溶液、非氟離子傳導(dǎo)膜、碳塑復(fù)合雙極板和電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方面都取得了創(chuàng)新性的技術(shù)突破，開發(fā)出高導(dǎo)電性、高韌性碳塑復(fù)合雙極板，高導(dǎo)電性、高離子選擇性離子傳導(dǎo)膜，同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握了高功率密度電堆的設(shè)計(jì)方法，大幅度降低了電堆的歐姆極化，從而在保持電堆的充放電能量效率大于80%的前提條件下，電堆的額定工作電流密度大幅度提高。圖3為2kW電堆在恒電流密度和恒功率密度充放電時(shí)電堆的庫(kù)侖效率、電壓效率和能量效率。在2kW恒功率充放電時(shí)，在保持電堆的能量效率大于80%時(shí)，工作電流密度345mA/cm2，電堆的功率密度顯著提高，從而大幅度降低了電池的制造成本。
圖3 2kW電堆的恒電流密度充放電和恒功率充放電時(shí)的電池性能
由融科儲(chǔ)能于2012年8月給金風(fēng)科技公司亦莊微網(wǎng)系統(tǒng)提供的一套200kW/800kWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)至今已安全穩(wěn)定運(yùn)行了近10年。同樣，融科儲(chǔ)能建設(shè)的遼寧法庫(kù)國(guó)電龍?jiān)磁P牛石50MW風(fēng)電場(chǎng)5MW/10MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)于2012年12月并網(wǎng)運(yùn)行，到目前為止也已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行了9年多，積累了大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和工程建設(shè)、維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。該5MW/10MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)是至今全球運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的兆瓦級(jí)以上級(jí)全釩液流電池系統(tǒng)，充分驗(yàn)證了全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的安全性、長(zhǎng)壽命、可靠性和穩(wěn)定性。
在兆瓦級(jí)全釩液流電池應(yīng)用項(xiàng)目成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，融科儲(chǔ)能正在承建的200MW/800MWh儲(chǔ)能調(diào)峰電站國(guó)家示范項(xiàng)目是目前全球在建的最大規(guī)模的電化學(xué)儲(chǔ)能電站，項(xiàng)目計(jì)劃分兩期完成，一期100MW/400MWh系統(tǒng)已完成安裝，正在調(diào)試，主要功能定位是電網(wǎng)調(diào)峰、可再生能源并網(wǎng)、緊急備用電源和黑啟動(dòng)等。該項(xiàng)目將對(duì)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)值驗(yàn)證、產(chǎn)業(yè)化推廣以及政策制定都起到重要作用。
03
市場(chǎng)對(duì)全釩液流電池的需求
與不同時(shí)長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)格分析
建立“新能源+儲(chǔ)能”的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要途徑。2021年10月24日，《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》提出：到2025年，新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到3000萬(wàn)千瓦以上。到2030年，抽水蓄能電站裝機(jī)容量達(dá)到1.2億千瓦左右。2022年2月23日《人民日?qǐng)?bào)》刊發(fā)國(guó)家電網(wǎng)有限公司董事長(zhǎng)、黨組書記辛保安署名文章《堅(jiān)決扛牢電網(wǎng)責(zé)任 積極推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和》，披露了2030年發(fā)展目標(biāo)。文章指出：“針對(duì)提高電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力對(duì)發(fā)展儲(chǔ)能的現(xiàn)實(shí)要求，大力加強(qiáng)技術(shù)成熟的抽水蓄能電站建設(shè)，積極支持新型儲(chǔ)能規(guī)模化應(yīng)用，力爭(zhēng)到2030年公司經(jīng)營(yíng)區(qū)抽蓄電站裝機(jī)由目前2630萬(wàn)千瓦提高到1億千瓦，電化學(xué)儲(chǔ)能由300萬(wàn)千瓦提高到1億千瓦?！笨梢钥闯?，新型儲(chǔ)能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要支撐，也是催生國(guó)內(nèi)能源新業(yè)態(tài)、搶占國(guó)際戰(zhàn)略新高地的重要領(lǐng)域。
經(jīng)過(guò)20多年的研究開發(fā)和創(chuàng)新，大連化物所與融科儲(chǔ)能合作團(tuán)隊(duì)在液流電池領(lǐng)域獲多項(xiàng)授權(quán)專利，和從20世紀(jì)80年代就開始研究開發(fā)的日本住友電工完全持平。融科儲(chǔ)能的母公司大連博融新材料公司生產(chǎn)的釩電解液占有了全球80%以上的市場(chǎng)份額。由于技術(shù)的進(jìn)步，使全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本也大幅度下降。圖4為根據(jù)融科儲(chǔ)能2021年第三季度兆瓦級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)格和當(dāng)電解液原料五氧化二釩的價(jià)格為10萬(wàn)元/t時(shí)，不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際價(jià)格。除電解液外的電池儲(chǔ)能價(jià)格為1500元/kWh。當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為1h系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格為6000元/kW，五氧化二釩價(jià)格為10萬(wàn)元/t時(shí)，電解液的價(jià)格約為1500元/kWh。當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為1h的以后，不包括電解液的儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)格為6000元/kW，加上電解液的價(jià)格1500元/kWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)的總價(jià)格是7500元/kWh。當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為4h的以后，不包括電解液的儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格6000元/kW由4h分?jǐn)?，每小時(shí)分?jǐn)?500元，加上電解液1500元/kWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)的總價(jià)格就是3000元/kWh。如果儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為8h，6000元/kW的系統(tǒng)成本則由8h分?jǐn)?，每小時(shí)分?jǐn)?50元，加上電解液的價(jià)格1500元/kWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)的總價(jià)格為2250元/kWh。同樣地，對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為10h的系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的總價(jià)格為2100元/kWh?？梢悦黠@看出，由于全釩液流電池的輸出功率和儲(chǔ)能容量可以相互獨(dú)立，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，價(jià)格越便宜。2009年大連化物所在西藏太陽(yáng)能研究所實(shí)施的5kW/50kWh全釩液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)是10h。2011年融科儲(chǔ)能在大連附近的蛇島上實(shí)施的20kW太陽(yáng)能光伏發(fā)電、10kW/200kWh全釩液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為20h，充分證驗(yàn)了其適用于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。
圖4 不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的價(jià)格
綜上所述，對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為4h的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，初次投資成本約為3000元/kWh，電解液的成本（價(jià)格）約占系統(tǒng)總成本的50%；而對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為10h的儲(chǔ)能系統(tǒng)，初次投資成本約為2100元/kWh，電解液的成本占系統(tǒng)總成本的70%。由于全釩液流電池的電解液可在線或離線再生循環(huán)使用，1kWh電解液約需要8kg高純度的V2O5，所以，釩電解液的殘值很高。電池系統(tǒng)運(yùn)行15—20年報(bào)廢后，除電解液可循環(huán)利用外，電堆的電極和雙極板（碳材料）及電極框（塑料）可作為燃料使用，燃燒后只產(chǎn)生CO2和H2O，集流板為銅板，端板為鋁合金板或鑄鐵板，緊固螺桿為鋼材料，電池系統(tǒng)報(bào)廢后，很容易回收循環(huán)利用。全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)報(bào)廢后，具有很高的殘值，而且回收利用簡(jiǎn)單。圖5為儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)分別為4h（如1MW/4MWh）和儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為10h（如1MW/10MWh）全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)生命周期的成本估算。對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為4h的系統(tǒng)，初次投資成本為3000元/kWh，使用15年以上電池系統(tǒng)報(bào)廢后，如果電池系統(tǒng)廢金屬的殘值估值為300元/kW，電解液的殘值按70%估算為1050元/kWh，這樣電池系統(tǒng)的殘值為1125元/kWh，實(shí)際成本約為1875元/kWh。而對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為10h的儲(chǔ)能系統(tǒng)，初始投資成本為2100元/kWh，使用15年以上電池系統(tǒng)報(bào)廢后，電池系統(tǒng)廢金屬等的殘值估值為300元/kW，電解液的殘值按70%估算為1050元/kWh，這樣電池系統(tǒng)的殘值為1080元/kWh，實(shí)際成本僅為1020元/kWh。所以，上述分析說(shuō)明從生命周期角度來(lái)講，全釩液流電池除了安全性好、使用壽命長(zhǎng)外，還具有性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)境負(fù)荷低的優(yōu)勢(shì)。因此，全釩液流電池是高功率、大容量、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)的最佳選擇。
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挑戰(zhàn)和展望
經(jīng)過(guò)20多年的努力，我國(guó)全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位。領(lǐng)軍的中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司合作團(tuán)隊(duì)已獲授權(quán)液流電池國(guó)家專利300余件，形成了完整的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系，大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司在國(guó)內(nèi)外率先建立了年產(chǎn)300MW的全釩液流電池儲(chǔ)能裝備的產(chǎn)業(yè)化基地。實(shí)施的金風(fēng)科技北京亦莊分布式微電網(wǎng)用200kW/800kWh和國(guó)電龍?jiān)磁P牛石50MW風(fēng)電場(chǎng)用5MW/10MWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行了9年多，儲(chǔ)能容量有少量衰減，2021年10月，5MW/10MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)在線恢復(fù)后，儲(chǔ)能容量仍為10MWh，目前仍穩(wěn)定可靠運(yùn)行。充分驗(yàn)證了全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性和可靠性，已滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的要求。
推進(jìn)全釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)的普及應(yīng)用，還需要官、產(chǎn)、學(xué)、研、用（戶）共同努力，加大投入，不斷創(chuàng)新，完善技術(shù)，大幅度提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低成本。提高液流電池的可靠性、穩(wěn)定性，降低成本主要包括以下幾個(gè)方面：
（1）開發(fā)新一代高性能、低成本的全釩液流電池關(guān)鍵材料技術(shù)。例如高穩(wěn)定性、高濃度電解質(zhì)溶液；高離子選擇性、高導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、低成本離子傳導(dǎo)（交換）膜；高導(dǎo)電性、高韌性雙極板；高反應(yīng)活性、高穩(wěn)定性、高厚度均勻性、低成本電極材料。
研究開發(fā)高濃度、高穩(wěn)定性、低成本的全釩液流電池電解質(zhì)溶液體系拓展釩電解質(zhì)溶液的使用溫度范圍和高比能量、高穩(wěn)定性、低成本的液流電池新體系是液流電池電解質(zhì)溶液的重要研究方向。開展高離子選擇性、高導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性、環(huán)境友好、低成本的非氟離子傳導(dǎo)膜對(duì)推進(jìn)全釩液流電池的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義。
在保持雙極板高致密性、高機(jī)械強(qiáng)度、高韌性的條件下，進(jìn)一步提高雙極板的電導(dǎo)性，對(duì)于降低電堆的內(nèi)阻，提高電池的工作電流密度即功率密度具有重要作用。因此，需要開發(fā)滿足上述性能要求的雙極板材料。
全釩液流電池電極（碳?xì)帧⑹珰郑┑男阅芘c液流電池電堆內(nèi)的活化極化、歐姆極化和濃差極化都密切相關(guān)。提高電極的催化反應(yīng)活性、導(dǎo)電性以及密度分布和厚度均勻性是高性能電極研究開發(fā)的重點(diǎn)。
（2）液流電池電堆是發(fā)生充、放電反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的部件，是液流電池的核心部件，電堆的性能和可靠性直接影響液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能和可靠性。目前全釩液流電池電堆的額定工作電流密度還較低，造成其功率密度較低、材料用量大、成本高。因此，優(yōu)化電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)釩離子在電堆內(nèi)部的時(shí)空分布均勻性，降低離子傳導(dǎo)膜、電極、雙極板之間的接觸電阻，可以有效降低電堆內(nèi)的歐姆極化，從而提高電堆的電壓效率和能量效率。
全釩液流電池電堆的各種效率和電解液利用率之間密切相關(guān)。庫(kù)侖效率與離子交換（傳導(dǎo)）膜的質(zhì)子選擇性密切相關(guān)，電壓效率與離子交換（傳導(dǎo)）膜及電堆的內(nèi)阻密切相關(guān)，電堆的能量效率為庫(kù)侖效率和電壓效率的乘積。而電解液的利用率與電壓效率密切相關(guān)。理論儲(chǔ)存1kWh的電能，需要5.6kg V2O5，如果電解液的利用率為70%，則實(shí)際上儲(chǔ)存1kWh的電能大約需要8kg V2O5，同樣地，如果把電解液的利用率提高到80%，實(shí)際上儲(chǔ)存1kWh的電能，大約僅需要7kg V2O5。所以，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行條件需根據(jù)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本和電解液的成本綜合平衡，選擇最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行條件。開展新型電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，研究開發(fā)高功率密度全釩液流電池電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，使電堆的額定工作電流密度提高到300mA/cm2以上，同時(shí)提高電解質(zhì)溶液的利用率，是液流電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要研究方向。
（3）全釩液流電池系統(tǒng)由電堆、電解質(zhì)溶液儲(chǔ)供子系統(tǒng)、電池管理子系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。開發(fā)高可靠性、高穩(wěn)定性、低成本的大功率液流電池模塊的設(shè)計(jì)集成技術(shù)和百兆瓦級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的集成及智能控制管理策略及綜合能量管理技術(shù)也極為重要。
（本文僅為作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表eo立場(chǎng)）
