中國儲能網訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務廳、長沙市人民政府、中國化學與物理電源行業(yè)協會儲能應用分會聯合主辦，100余家機構共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術及工程應用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了中南大學化學化工學院教授劉素琴分享主題報告《液流電池的機遇、挑戰(zhàn)與解決方案》。以下是發(fā)言主要內容：
劉素琴：尊敬的各位專家、同行，我今天想在這里分享一下液流電池的機遇、挑戰(zhàn)和它的一些解決方案。
我是來自于中南大學化學化工學院的劉素琴，我們首先想從市場和技術經濟分析來看看液流電池儲能它的機遇和挑戰(zhàn)。從2020年“雙碳”目標提出以來，我覺得是給液流電池帶來一個很大的機遇，據中關村儲能產業(yè)技術聯盟給的數據，從2021年到2025年，液流電池儲能它裝機的規(guī)模，從0.2GW到2025年的1.7GW，如果我們按照裝機平均的時長是4小時，裝機成本按照3塊錢每千瓦時來計算，對應的新增投資是從2021年的24億元到2025年達到204億元。從這里看，每年是超過50%的增速發(fā)展，從這里看，液流儲能有比較可觀的發(fā)展，快速的發(fā)展。
從國內液流電池裝機的進展來看，這些數據實際上是比較保險的數據，我們從遼寧大連，它已經有100兆瓦，400兆瓦時開始并網。除此之外，湖北襄陽有100兆瓦和500兆瓦時的在采購，中核匯能在前不久有1GWh的開票，除此之外在新疆的吉木塞爾和伊犁分別有兩個250兆瓦和1GWh已經開工的報道。湖南省好像是在吉首市初步有一個100兆瓦和400兆瓦時完成簽約的情況。
從這里看，液流電池這塊儲能是有比較大的機遇，當然液流這塊有不同的，剛剛賈老師講了硫鐵，后面張總會講他們在鐵-鉻液流這塊的進展。全釩液流電池作為液流電池當中的代表，因為就目前的階段來說，它在技術上是有它的先進性在的，所以我們這里就舉了全釩液流電池指標和鋰離子電池指標去對比一下。為什么跟鋰離子電池對比？其實我覺得不應該對比，一是他們儲能的容量來看，還有它的時長來看，兩者是不同的市場，應用市場是不一樣的，但是由于鋰離子電池的發(fā)展比全釩液流這塊要早，也是發(fā)展最快的，所以它首先已經進入到了儲能的市場。液流電池要進到儲能市場，大家是不自覺的就拿它和鋰離子電池進行一個對比，我們這里給出了兩者技術指標的對比，從這里看，鋰離子電池在能量密度和系統(tǒng)效率這塊比液流電池是有優(yōu)勢的，但是液流電池它循環(huán)壽命、安全性，還有深度的充放電能力，以及容量的可恢復性和電池的一致性等方面也是有它的優(yōu)勢在這里的。
講到能量密度這塊，其實對于儲能來說，能量密度最能影響的實際上是它的占地面積，對于我們拿10兆瓦級別以上的液流電池儲能和鋰離子電池儲能他們的占地面積來進行比較，我們可以看出前面兩個都是全釩液流的。后面的五個都是鋰離子電池的占地面積。從這里來看，實際上液流電池的儲能占地面積并不比鋰離子電池高，這是為什么？主要是由于液流電池有高的安全性，所以使得儲能系統(tǒng)可以采取更為緊密的排布方式，使得占地面積相對來說會比較小一點。尤其是從10兆瓦、40兆瓦時，每兆瓦時的占地面積是93平，到100兆瓦和400兆瓦時的時候，它每兆瓦時的占地面積是下降到了61平。對于鋰離子電池，它通常就是每個兆瓦時占地面積是在100平左右的樣子。
第二方面可能是大家比較關注的，他們的經濟指標，除了技術指標就是經濟指標。從這里可以看到，鋰離子電池當中我們以磷酸鐵鋰正極材料為例，進行比較和全釩液流這塊。我們把他們的循環(huán)壽命和服役壽命，以及系統(tǒng)的效率和容量衰減一起考慮進來，計算出來，對于鋰離子電池100兆瓦、400兆瓦時全系統(tǒng)的初始投資大概是1600元每千瓦時，而全釩液流電池是3600元每千瓦時。當然這3600塊錢相對來說也是給得比較高的，因為前面1GWh開標報的成本大概是3000塊錢每千瓦時的情況。從這里看，鋰離子電池在初始投資的成本是要比全釩液流電池低，一個只有64000萬，液流電池就達到了144000萬，由于兩者的使用壽命是不一樣的，并且兩者運維的成本和過程當中如果要換，我們都按照折算成25年的壽命來算，每度電的成本，兩者是接近的，鋰離子電池是0.72元，全釩液流是0.75元。全釩液流系統(tǒng)的殘值是比較高的，如果我們把系統(tǒng)殘值給算進去之后，再去折算25年的度電成本，鋰離子電池可能還比全釩液流稍稍要高一點。從這里看，液流電池這塊它的儲能是有已經大的機遇，當然它還是有它的挑戰(zhàn)，尤其是初始的投資成本這塊，它有比較大的挑戰(zhàn)在這里。液流儲能要把握住這個機遇，我們還是有很多工作要做的。
首先是提質和降成本是我們目前面臨的最大挑戰(zhàn)，提升液流電池的性能，我們要從它的關鍵材料入手，關鍵材料當中通常說電解液、電極和隔膜這三樣，電解液目前面臨的困難一個是高濃度的高穩(wěn)定性，尤其在1.5摩爾以上，或者它在比較高的溫度，比如接近50度的工作溫度下，它能夠保持長期的穩(wěn)定性。還有負極這塊，在比較低的溫度，比如說負20度左右，或者負40度的情況下，要保持它的穩(wěn)定性，這是目前電解液這塊面臨的課題和挑戰(zhàn)。
解決方法主要是采用混酸，或者其他支持電解質，有報道說采用離子液體加其他的添加劑，有人做到了8摩爾每升的電解液，運行的溫度在負40度到80度的條件下。報道出來至少給我們全釩液流電池有這種可能性，除此之外也有很多作為添加劑，包括無機添加劑和有機添加劑去改善它的穩(wěn)定性和電解液的利用率，以及充放電的活性這塊，這是對于電解液的。對于電極，我們重點要關注釩離子電對的氧化還原活性，主要針對動力學緩慢這塊，以及副反應開展一些工作。目前主要是通過在碳氈表面進行處理，以及在表面負載一些催化材料，或者將它和其他材料進行復合，取得了比較好的結果，后面我會簡單的說一下。
除此之外就是隔膜了，隔膜目前是關鍵材料降成本最大的點，它的難點，全釩液流的隔膜，既要讓釩離子的遷移盡可能小，又希望它的質子電導盡可能高。除此之外，我們還希望它有比較好的化學穩(wěn)定性和良好的機械強度。改進方法目前有很多，比如說磺化的聚醚醚酮、多孔膜和改性隔膜。除此之外還有磺化的聚酰亞胺膜，和其他在強酸強堿下比較高穩(wěn)定的材料的混合膜。
我們自己針對這些關鍵材料的改性開展了工作，在電解液添加劑這塊，我們嘗試采用丙烷磺酸吡啶嗡鹽，進行了改性，也還是取得了比較可以的結果。這個是1.8摩爾，大約是這樣比較穩(wěn)定的。當然我們還有其他的一些添加劑，最后我們是做了2.6摩爾每升，在50度下比較穩(wěn)定的電解液。除此之外，對于電極這塊，我們通過整個電池充放電過程當中，分別研究它正極和負極的反應活性，我們發(fā)現負極的反應活性是整個電池的速度控制步驟，在這里我們同時分析了在負極這邊應該是二價釩氧化成三價釩的步驟。針對這里我們設計了缺電子型的硼化鈦，作為它的催化劑，通過催化劑負載之后電極的電化學表征，我們推測了它當中的催化反應的機理，最后也組裝成電池，進行性能的比較。（圖）從這里可以看到，如果沒有負載催化劑的電極，它是在200毫安每平方厘米的時候，它的能量效率和負載催化劑之后的，在300毫安每平方厘米的電流密度下的能量效率是相接近的。負極催化劑的開發(fā)還是有效的提升了整個液流電池的性能。
除此之外，對于隔膜這塊我們也開展了一些研究，主要是在2017年以前做的一些工作，通過磺化的聚酰亞胺膜的改性，把它的枝化側鏈化改性，提它的離子選擇性以及它的穩(wěn)定性和阻釩性能，同時保持機械穩(wěn)定性。除了關鍵材料之外，電堆這塊的結構設計，尤其是液流框的結構設計也是提升電堆性能很關鍵的點。我們在這里也開展了液流框的模擬和分析，實際上也申請了一系列的專利，在組裝過程我們也發(fā)現單電池的數量，以及碳氈的厚度和壓縮比等等因素都會對整個電堆的組裝性能有比較大的影響。
為了更好地把材料的性能給表征出來，以及系統(tǒng)的運行過程中，我們更好地去跟蹤SOC的精度，對于小的、單電池的設計也開展了一系列工作。在這個基礎上，在2018年的時候，在國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，我們組裝了45千瓦的電堆，當時是根據項目的技術指標，是140毫安每平方厘米的電密下，它的能量效率是大于78%，這是2018年時的數據，現在有很多性能會比這個高很多。從這里看，整個液流電池儲能是有很大的機遇，也面臨著挑戰(zhàn)，實際上我們作為學術界只能夠從提升它的性能方面做一些工作。對于怎么去降本，提升它的性能可以把電堆的成本有效地降下來一些，但是對于電解液這塊，有很多產業(yè)界的人在做這塊的工作，比如說從釩礦到電解液的生產工藝，并且有很重要的一些，在商業(yè)上怎么去創(chuàng)新，有人提出說通過租賃電解液等等方式，也可以使得整個儲能的成本降下來。
總之，成本的降低，尤其是初次投資成本的降低是目前全釩液流電池儲能面臨的最大挑戰(zhàn)。這是需要學界和工業(yè)界共同的努力，我相信通過這種努力能把全釩的液流電池儲能成本再進一步的降低。在我2002年開始進到液流儲能的領域以來，開展這項工作以來，陸續(xù)得到了很多企業(yè)的支持，最初是攀鋼研究院給我啟動的項目，后面像德沃普等都給了我很大的支持，其他的我都列在這了，就不去一一致謝了，對這些企業(yè)表示衷心的感謝。
同時，我在這個領域堅持20年，向課題組的老師和歷屆從事液流電池研究的同學們表示衷心的感謝，也感謝組委會給我這樣的機會來分享我對液流儲能粗淺的看法。
如果有不當之處，歡迎大家批評指正，謝謝大家的聆聽！
