中國儲能網(wǎng)訊：3月23日，由中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會主辦并聯(lián)合500余家機(jī)構(gòu)共同支持的第十五屆儲能大會暨展覽會（簡稱“CIES2025”）在杭州國際博覽中心召開。
CIES大會以“綠色、數(shù)智、融合、創(chuàng)新”為主題，針對儲能產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)等重點(diǎn)、熱點(diǎn)、難點(diǎn)問題展開充分探討，分享可持續(xù)發(fā)展政策機(jī)制、資本市場、國際市場、成本疏導(dǎo)、智能化系統(tǒng)集成技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、商業(yè)模式、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、示范項(xiàng)目應(yīng)用案例、新產(chǎn)品以及解決方案的普及和規(guī)模化工程應(yīng)用。
在3月24日上午的液流電池專場專場中，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所首席研究員張華民作了題為《雙碳目標(biāo)下的液流電池儲能技術(shù)》的主旨演講。
以下內(nèi)容根據(jù)大會發(fā)言整理提煉，僅供參考。
張華民
尊敬的各位嘉賓：
大家上午好，很高興和大家分享一下“雙碳”目標(biāo)下的液流電池儲能技術(shù)。
今天我主要想這4個(gè)方面的內(nèi)容：
1.我國能源革命和“雙碳目標(biāo)”愿景
實(shí)現(xiàn)國家“雙碳”目標(biāo)的主要途徑之一就是構(gòu)建以“新能源+儲能”為主體的新型電力系統(tǒng)。去年李強(qiáng)總理的政府工作報(bào)告中又提到，建立新型能源體系。因?yàn)轱L(fēng)能、太陽能發(fā)電是典型的間歇性能源，而電力系統(tǒng)供電要求高穩(wěn)定性、高安全性，因此大規(guī)模儲能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可再生能源普及應(yīng)用的主要途徑。
這張圖是國家風(fēng)能、太陽能發(fā)電的規(guī)劃，去年規(guī)劃累計(jì)裝機(jī)超過了13億kW，到2030年將達(dá)到27億kW，2060年將達(dá)到60億kW，這些規(guī)劃數(shù)字可能還要超。也就是說我們國家的風(fēng)能、太陽能發(fā)電在電力系統(tǒng)占的份額要超過60%。
因此，國際長時(shí)理事會提出長時(shí)儲能是實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的有效途徑，長時(shí)儲能是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能、太陽能普及應(yīng)用成本最低的靈活性解決方案。
美國有一個(gè)規(guī)劃，到2035年實(shí)現(xiàn)100%的清潔電力，因此要求要開發(fā)長時(shí)儲能技術(shù)，美國定義的長時(shí)儲能是額在定功率下放電時(shí)間10小時(shí)以上，使用壽命15-20年。我們國家電網(wǎng)也認(rèn)識到發(fā)展長時(shí)儲能，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)是非常重要的。
2.液流電池技術(shù)的種類、特點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀
液流電池有很多種，是不是每一種液流電池都行，都適合于大規(guī)模長時(shí)呢？如果產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方向選錯(cuò)了所有投入都會打水漂。從理論上講任何兩個(gè)不同電位的電堆組合都能構(gòu)成液流電池，這張圖的左邊這個(gè)范圍，在充放電過程中就要析氫，這是科學(xué)問題，它的電位決定它要析氫。
右邊那個(gè)范圍，它就要析氧，能量轉(zhuǎn)化效應(yīng)會降低，析氫還有危險(xiǎn)性。只有在中間這個(gè)范圍內(nèi)，它才是安全的液流電池，所以，并不是所有的液流電池都安全。
我們今天很多報(bào)告都是講釩，2價(jià)、3價(jià)釩的電位在這里，4價(jià)、5價(jià)釩的電位在這里，它是在非常安全的范圍內(nèi)，只要控制的好，充放電過程中，就不會析氫和析氧。
像鐵/鉻液流電池，鐵/鉻是最早提出的液流電池，美國研究了好多年，日本住友電工也研究了很多年，最后不得不放棄，在國外基本上都放棄了。
為什么呢？它有很多問題，它用鹽酸，鹽酸的腐蝕性很強(qiáng)。鉻的動力學(xué)反應(yīng)性很差，而且要在65C°運(yùn)行。液流電池運(yùn)行不是24小時(shí)都運(yùn)行，需要的時(shí)候才運(yùn)行，在三北地區(qū)冬天零下40度，停下來以后要把電解液加熱到60C°以上，那么多立方米的電解液要加熱到60C°以上，功耗很大。
我們在做國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)液流電池的能量轉(zhuǎn)化效率，電堆額定能量轉(zhuǎn)化效率必須大于80%，下一步可能要達(dá)到85%，目前只有全釩液流電池能做到這一點(diǎn)。
鋅基液流電池，我們團(tuán)隊(duì)研究了很多，鋅鐵液流電池也做過3個(gè)月的30KWh項(xiàng)目示范，最后以失敗而告終。各種鋅基液流電池，它的共性問題是額定電流密度比較低。
全釩現(xiàn)在國際最高水平達(dá)到520mA/cm2，我們做鋅基液流電池額定電流密度達(dá)到40mA/cm2就不錯(cuò)了，即使是電解液便宜，10個(gè)同樣大小的電堆才能等于全釩液流電池同樣規(guī)模的一個(gè)電堆。
另外在電極上鋅的沉積量受限，我們實(shí)驗(yàn)室做了20多年，可循環(huán)150毫安時(shí)每平方厘米就很不錯(cuò)了，如果40毫安時(shí)放電的話放不了4個(gè)小時(shí)。還有鋅枝晶的生成問題，死鋅的問題，即放電時(shí)沉積的鋅金屬脫落的問題，鋅（金屬）積累問題，析氫的問題，這些科學(xué)問題很難解決，這是我們研究的結(jié)果。
我個(gè)人的觀點(diǎn)是，適合長時(shí)儲能的液流電池必要條件就是正負(fù)極電解液具有相同組分的雙液流電池，兩邊都是液體。典型經(jīng)典的雙液流電池，全釩液流電池正好滿足這個(gè)條件。正負(fù)極都是釩，你過來一點(diǎn)，我過來一點(diǎn)，還是釩。常年累積價(jià)態(tài)有一定失衡后，在線調(diào)整一下正負(fù)極電解液失衡的價(jià)態(tài)，容量就可以恢復(fù)，釩電解液的壽命應(yīng)該是半永久性的。
從技術(shù)優(yōu)勢上來說全釩液流電池本征安全。不析氫，不析氧，只要控制好就可以；水性電解液而且在常溫常壓運(yùn)行；超長壽命，實(shí)驗(yàn)室做過1.2萬次充放電循環(huán)，每天7次充放電，做了6年，能量效應(yīng)衰減了5%。
所以有人就說全釩液流電池日歷壽命可以達(dá)到25年。我們團(tuán)隊(duì)2012年做的5MW/10MWh已經(jīng)運(yùn)行了13年，現(xiàn)在還運(yùn)行的非常好。
最近住友電工可以把釩液流電池的壽命做到30年，就是和風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝置是同壽命。環(huán)境友好，容量可恢復(fù)、電解液可循環(huán)使用，其他材料都可以循環(huán)利用。適合中長時(shí)的儲能，到目前為止我們做的示范項(xiàng)目有的已經(jīng)達(dá)到20小時(shí)。
從產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢上講，我們國家全釩液流電池是全球領(lǐng)先的，資源不用進(jìn)口，不像鋰離子電池90%鋰資源靠進(jìn)口，全釩液流電池資源全部都可以國產(chǎn)化，產(chǎn)業(yè)鏈可自主可控。
釩液流電池也有它的劣勢，剛才也有講到全釩液流電池價(jià)格貴。但我認(rèn)為，從全生命周期講，全釩液流電池其實(shí)是成本最低的電化學(xué)儲能電池，但它的初次投資成本是高一點(diǎn)。
能量效益方面，我們制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電堆的能量效率不低于80%，電堆能量效率80%，下一步可能要提高到85%，因?yàn)榧夹g(shù)的進(jìn)步了,市場認(rèn)知度現(xiàn)在逐漸的提高，特別是強(qiáng)配儲結(jié)束之后對全釩液流電池是個(gè)利好。
還有一個(gè)問題是產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，規(guī)模比較小，最近這幾年發(fā)展很快。
再就是人才儲備不足，很多人都跟我要人，確實(shí)現(xiàn)在這方面人才是不足。還有商業(yè)模式有待創(chuàng)新。
液流電池降本的主要途徑，從電池材料講要創(chuàng)新，電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要創(chuàng)新、電解液利用率要提高；從電堆結(jié)構(gòu)來說要開發(fā)高功率密度、高能量密度的電解液，要提高電解液的利用率。
另外，如果做得不好的話，它有電解液滲漏的問題，現(xiàn)在融科儲能基本解決了這個(gè)問題，就是密封性的問題。
還有商業(yè)模式創(chuàng)新的問題，因?yàn)殁C電解液不是一個(gè)消耗品，我認(rèn)為它是一個(gè)金融產(chǎn)品，可以循環(huán)用。一個(gè)立方米的電解液160多公斤五氧化二釩，它的價(jià)值不會降低,我們考慮電解液的殘值不低于70%。
電池關(guān)鍵材料，電解液高穩(wěn)定性、高純度、高反應(yīng)活性、高濃度。這個(gè)做出來很容易，好用難，用上兩年之后好和不好再下結(jié)論。離子交換膜和傳導(dǎo)膜，目前用的是兩種：全氟離子交換膜和復(fù)合離子傳導(dǎo)膜。
高導(dǎo)電性、高熱穩(wěn)定性、高選擇性、高尺寸穩(wěn)定性，將來要發(fā)展復(fù)合離子交換膜。還有雙極板，雙極板是碳板，這些材料國內(nèi)都能解決，我們國家的釩是全球儲量最高的。
和氫燃料電池相似，釩液流電池中也存在活化極化、歐姆極化和濃差極化這三種極化，降低成本就要要保證在能量轉(zhuǎn)換效率不低于80%的條件下、降低極化，提高額定電流密度降低極化確實(shí)是非常大的問題，現(xiàn)在也逐漸得到解決。在釩液流電池電堆中，歐姆極化占很大的比例。
釩液流電池的額定電流密度，目前國家標(biāo)準(zhǔn)是能量效率不低于80%時(shí)的電流密度。2012年，我們能夠做到的是80mA/cm2，2024年基本上能達(dá)到200mA/ cm2，有些領(lǐng)軍企業(yè)儲備技術(shù)已經(jīng)達(dá)到260mA/cm2。
額定電流密度提高1倍，電堆材料下降一半，即電池成本下降一半，就是電池系統(tǒng)的成本。這是今天的水平是200mA/cm2，明天什么時(shí)候能達(dá)到300mA/cm2以上，什么時(shí)候能達(dá)到400mA/cm2呢？未來如果能達(dá)到500mA/cm2，現(xiàn)在住友電工已經(jīng)能達(dá)到500mA/cm2，電池成本就非常低了，釩液流電池的成本主要就是電解液成本了。
按照電堆的實(shí)際情況，我做了一個(gè)計(jì)算，電流密度提高1倍，材料成本正好降低一半?，F(xiàn)在電流密度約200 mA/cm2時(shí)每個(gè)MW的電堆需要2330平方米的雙極板，如果達(dá)到500mA/cm2的話只需要400多平方米就夠了，成本大幅度下降，其他材料都是這樣的下降。
這是2000年，在我退休之前，我們團(tuán)隊(duì)做了2kW的電堆，發(fā)現(xiàn)在恒功率充放電時(shí)，額定電流密度可以達(dá)到345mA/cm2，所以我和融科說要把釩產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用電堆的額定電流密度提高到300mA/cm2，最近住友電工達(dá)到了520mA/cm2。理論上儲存1KWh的電需要5.6kg五氧化二釩，電解液利用率不一樣，所需要的五氧化二釩價(jià)格/數(shù)量也完全不一樣。
釩電解液具有金融特性，關(guān)于電解液的租賃，融科儲能公司做了很多嘗試，一是和海螺的項(xiàng)目，就是采用電解液租賃的辦法。最近中標(biāo)的攀枝花100MW/500MWh項(xiàng)目也是要采用第三方電解液租賃的辦法來實(shí)現(xiàn)，電池系統(tǒng)成本就很便宜了。美國Largo公司是全球釩產(chǎn)能比較大的公司，它最近也介入了電解液租賃這方面的業(yè)務(wù)。
日本住友電工最近發(fā)布了電池壽命提高到30年，功率提高30%，而且今年開始的訂單就用這種新的技術(shù)，壽命延長，他們整個(gè)對材料和檢修技術(shù)大幅度提高了。輸出功率提高了30%，因?yàn)樗郧暗念~定電流密度400mA/cm2，最近報(bào)道的是520mA/cm2，正好提高30%。能量密度提高是電解液的濃度提高了，所以整體上它的經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高了。
3.生命周期的經(jīng)濟(jì)性分析
全釩液流電池一個(gè)特點(diǎn)，儲能時(shí)間越長，系統(tǒng)分配到每個(gè)KWh上系統(tǒng)成本分擔(dān)的就越少。即同樣的技術(shù)，隨著儲能時(shí)長增加單位千瓦時(shí)的價(jià)格就大幅下降。4小時(shí)的儲能，最近融科儲能中標(biāo)的的100MW/400MWh項(xiàng)目，即4小時(shí)的儲能報(bào)價(jià)是2300元/kWh，同樣的10小時(shí)的話只要1700元/kWh就行了。
從生命周期講，全釩液流電池價(jià)格不貴，如果是4小時(shí)儲能現(xiàn)在報(bào)價(jià)2300元/kWh，電解液占56.5%，電解液半永久性使用，所以25年電池系統(tǒng)報(bào)廢以后，電解液的價(jià)值還在，我按照70%的殘值來算。
還有很多有色金屬，銅、鐵、鋁、鋼，這些按照每個(gè)KW300元的殘值來算，還有985元的殘值。實(shí)際上運(yùn)行20多年，實(shí)際價(jià)格是1315。鋰電池初次投資500元就行，但鋰電池要運(yùn)行25年最少換3次，甚至4次，人員成本、各種成本和電池?zé)o害化處理的成本加起來就很高了。釩液流電池10小時(shí)儲能系統(tǒng)，電解液占初期投資成本的76.5%，主要是電解液的成本。
20小時(shí)儲能1500元/kWh的初次投資成本，電解液占接近87%。實(shí)際上去掉殘值以后，實(shí)際投資是575元，實(shí)際成本或價(jià)格跟鋰電池差不多，但鋰電池的壽命只有5～8年。
如果是電流密度達(dá)到500mA/cm2，同樣是10小時(shí)儲能，初次投資成本下降了很多，主要是電解液成本。10小時(shí)儲能，電解液成本占87%。去掉殘值以后，運(yùn)行25年或者30年，實(shí)際成本是560元/KWh，生命周期價(jià)格就是這樣。
鋰電池30年最少得換4次。從生命周期講，我認(rèn)為全釩液流電池是經(jīng)濟(jì)性最好的長時(shí)儲能技術(shù)?，F(xiàn)在釩電解液的價(jià)格是1200～1300元/kWh,因?yàn)楝F(xiàn)在五氧化二釩價(jià)格7萬多/噸，是很友好的價(jià)格了，沒有創(chuàng)新性的突破，我認(rèn)為五氧化二釩價(jià)格很難再降下去了，也就是電解液成本貨價(jià)格很難在明顯下降。
4.全釩液流電池的市場展望
國際長時(shí)儲能理事會認(rèn)為，到2030年市場8小時(shí)儲能在功率上占到30%，容量上占到50%。我國去年一年投運(yùn)的釩液流電池總共400多MW，，以前在整個(gè)電化學(xué)儲能當(dāng)中只占到0.4%，去年可能占到2%左右。將來如果長時(shí)儲能占到30%，全釩液流電池占1/3的話，市場規(guī)模是很大的。
國家工信部、國家能源局都開始重視液流電池在長時(shí)儲能中的應(yīng)用，北京市也有發(fā)布加快液流電池技術(shù)的開發(fā)。包括四川、天津、山東，都要強(qiáng)調(diào)部署長時(shí)儲能，部署釩液流電池，因此市場前景還是比較好的。
美國能源部對11種儲能技術(shù)，包括電化學(xué)、機(jī)械、熱儲能，11種技術(shù)進(jìn)行了評估，能達(dá)到度電成本5美分以下的長時(shí)儲能技術(shù)只有3種：液流電池、抽水蓄能、壓縮空氣儲能。
美國加州2024年7月份要招標(biāo)兩個(gè)GW的長時(shí)儲能，一個(gè)GW的儲能時(shí)長大于12小時(shí)，一個(gè)GW的儲能時(shí)長大于36小時(shí)。而且專門強(qiáng)調(diào)采用鋰電池和抽水儲能以外的其他新型儲能電池技術(shù)，以幫助政府實(shí)現(xiàn)脫碳且實(shí)現(xiàn)度電成本5美分的目標(biāo)。
世界上其他國家也在大力發(fā)展液流電池，韓國也是這樣。最近兩會期間，中央電視臺對融科儲能做了大幅篇的報(bào)道，是全球最大的智能制造基地。
謝謝大家！
