鉅大LARGE | 點擊量：6446次 | 2018年07月27日
釩電池相比鋰電池有哪些優(yōu)勢?未來能替代鋰電池嗎？
釩液流電池經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已經(jīng)是一種比較成熟的儲能技術了。其應用方向主要是新能源電場和電網(wǎng)的MWh級大規(guī)模儲能站。和主要做移動電源的鋰電池相比，他們的關系就像飯勺和鍋鏟的關系，沒有相互替代的空間。全釩液流電池的主要競爭對手，是水力蓄能、壓縮空氣蓄能等大規(guī)模儲能技術，以及其他體系的液流電池。
釩液流電池的相對鋰電池的優(yōu)勢主要有三：
一、方便規(guī)模化。一套系統(tǒng)可以做到你家冰柜那么大，也可以做到你家小區(qū)變電站那么大，電量夠你家用一天到一年不等，想怎么設計就怎么設計。
二、使用壽命長。你也能用半個世紀。
三、安全性較好。面對鋰離子電池忌諱的大電流和過充過放毫無壓力，而且根本不會起火爆炸。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
問題主要就一個：
能量密度低。別想著能用在你的手機上了，電動車也沒啥指望。
釩液流電池經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已經(jīng)是一種比較成熟的儲能技術了。其應用方向主要是新能源電場和電網(wǎng)的MWh級大規(guī)模儲能站。和主要做移動電源的鋰電池相比，他們的關系就像飯勺和鍋鏟的關系，沒有相互替代的空間。全釩液流電池的主要競爭對手，是水力蓄能、壓縮空氣蓄能等大規(guī)模儲能技術，以及其他體系的液流電池。
一、市場
大山里有個村叫李村，山高路遠不通電。前些年搞村村通，配了臺發(fā)電機，然而柴油依然十分金貴。太陽落山之后，昏黃的燈光便成了奢侈品。
年關將至，伴著凜冽的北風，在縣城干電工的李狗嗨騎著三輪出現(xiàn)在蜿蜒的山路上，車后斗拉了幾大塊亮晶晶的黑板子。
“唉，王八蛋老板黃鶴搞太陽能，欠下了3.5個億，帶著他的小姨子跑了。我們沒有辦法，拿著光伏板抵工資。聽說這玩意曬曬太陽就來電，不燒油不加水。我拖回兩塊來，娃兒們晚上都有書念，翠花也做得了針線了?！?/p>
李狗嗨的光伏板架好了，然而就像達文西的手電筒一樣，晚上沒有太陽的時候
編個故事是為了說明目前新能源行業(yè)的困境。李狗嗨遇到的問題，風電場的工程師同樣在面對。
某種程度上講，我們司空見慣的電網(wǎng)堪稱世界上規(guī)模最大、能量最高的機器，而神奇之處在于這架機器必須保持每時每刻能量的收支平衡，坑口電廠轟鳴的汽輪機的產(chǎn)出，和千里之外華北平原萬家燈火的消費毫厘不差。這是一場曠日持久的走鋼絲。無疑我們有的是控制手段來保持平衡，然而總也免不了有個天災人禍，失手的例子就在不遠的03年美加大停電和08年的華南電網(wǎng)雪災。
新能源的并網(wǎng)給電力工程師帶來了更為頭疼的難題：天氣。用戶老爺們的需求已經(jīng)夠難對付了，這下又來了一個看老天爺臉色的奇葩……這日子沒法過了(╯￣Д￣)╯┻━┻2012年吉林省的棄風率達到32%，也就是1/3的發(fā)電量被白白丟在了風里。除了當?shù)叵M能力有限的原因之外，控制上的難題同樣也是原因。風力和光伏短時間內(nèi)的波動性非常嚴重，難以與電網(wǎng)同步，俗稱“垃圾電”，如果直接并網(wǎng)會導致整個電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
以上問題的癥結在于，我們的電網(wǎng)里還不存在一個儲能的機制，就像達文西的手電筒一樣沒有電池。如果我們能對電能實現(xiàn)高拋低吸，行話叫調(diào)峰，棄風和控制的問題就都迎刃而解了。目前只有靠調(diào)整發(fā)電機的出力來適應需求。然而發(fā)電機組通常都在額定功率下處于最高效率，頻繁的出力變化必然導致效率降低。所以對于現(xiàn)有的電力系統(tǒng)，儲能技術也有節(jié)能減排的意義。
調(diào)峰的示意圖，粉色曲線為風電場輸出，褐色曲線為用電需求。儲能系統(tǒng)在紅色面積下吸收能量，于綠色面積內(nèi)釋放。如果沒有儲能系統(tǒng)，這部分電力是浪費掉的。
目前比較成熟儲能技術主要有：水力蓄能、壓縮空氣蓄能、液流電池、鉛酸電池、飛輪蓄能、超級電容等等。如圖所示，根據(jù)儲能規(guī)模的不同，每種技術都有其不同的適用范圍。
各儲能技術的功率規(guī)模和儲能時間對比，全釩液流電池可以實現(xiàn)幾十kW到幾十MW的功率規(guī)模，儲能時間為幾小時到幾天。
各儲能系統(tǒng)的能量效率，全釩液流電池(VRB)的效率約70-80%，和水力蓄能(PHS)、壓縮空氣蓄能技術(CAES)相仿，略低于鋰電池和超級電容。
各儲能技術的發(fā)展情況。目前技術最成熟成本最低的儲能技術是水力蓄能(PHS)，然而這種技術受到地理條件的限制難以廣泛應用。全釩液流電池(VRB)成熟毒中等偏下。相對于其他技術，液流電池適用范圍廣，成本也比較適中。目前最主要的應用便是風電、光伏電場的調(diào)峰。目前全世界有超過20個kWh-MWh級的液流電池商業(yè)示范項目，其中規(guī)模最大的一個是大連融科儲能的龍源風電場項目。
大連融科儲能負責的某全釩液流電池項目，白色圓柱體為儲能罐，中間一排排接管理的方塊為電堆。
當儲能系統(tǒng)的規(guī)模達到一定程度，可以實現(xiàn)對整個電網(wǎng)的支持。分布于電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)的儲能站根據(jù)各自環(huán)節(jié)的輸入/輸出波動進行調(diào)峰，可以平滑輸電系統(tǒng)的負載，將過載的可能性降到最低，同時提高供電的效率和質(zhì)量；在像海島、偏遠地區(qū)這樣的離網(wǎng)系統(tǒng)，甚至部分城市建筑，儲能系統(tǒng)和新能源的結合可以帶來就地的清潔能源解決方案，減少遠距離輸電的損耗。未來的儲能站可能和你家小區(qū)的變電站一樣司空見慣。
工業(yè)界了解不多，不敢妄加置喙。液流電池作為一種儲能技術，很大程度上依附于新能源行業(yè)的發(fā)展，可謂一榮俱榮。面對油價下跌的現(xiàn)狀，諸多已經(jīng)上馬的光伏、風電項目面臨著成本的挑戰(zhàn)，而一個高性能的儲能系統(tǒng)可以很大的提高電場的經(jīng)濟性。隨著儲能系統(tǒng)規(guī)模的擴大，儲能技術將作為一種新的控制手段引入電力系統(tǒng)，有機會極大地改變電網(wǎng)的面貌。今年大連理化所的張華民教授獲得國家科技進步二等獎，也能從一個側面反映出政策對這項技術的茲瓷。然而另一方面，在電力設備這個薄利行業(yè)里，液流電池畢竟不像電子設備電源、動力電池等行業(yè)擁有高附加值的產(chǎn)品和自由的市場，很難獨立實現(xiàn)盈利，其發(fā)展更多的依賴于政策。目前國內(nèi)做的比較好的單位主要是大連理化所和大連融科儲能，技術積累比較深厚。最近一些釩礦企業(yè)也在做相關的項目，比較占原材料的便宜。
二、技術
自1985年M.Skyllas-Kazacos成功demo第一個prototype，全釩液流電池的發(fā)展已經(jīng)有30多年。釩液流電池屬于水系液流電池，使用釩離子的硫酸溶液作為電能的儲存介質(zhì)。作為過渡金屬，釩的價態(tài)十分豐(jing)富(fen)，2、3、4、5價離子在水里均有不錯的溶解度，而且顏色也十分好看。釩2價和5價離子間有1.25V的電位差，這就給了釩自己和自己組成電池的能力。
這貨的結構，也包括大部分其他液流電池大概都長這樣，OF小工的答案里也有配圖。
系統(tǒng)由一個電堆、兩個儲能罐以及配套的泵和管路組成。電解液平時存在儲能罐里，充放電時用泵泵入電堆中進行反應。電堆的基本結構是一個三明治，依次為正極集流體，正極碳氈，隔膜，負極碳氈，負極集流體。正負極電解液分別在碳氈的孔隙之間流過。充放電時，電解液里的釩離子在碳氈表面得失電子，而氫離子穿過離子交換膜來維持電中性。這樣的三明治可以任意疊加來提高電堆電壓。
實際應用時，儲能罐、電堆、液流泵、BMS和逆變器都可以被整合于一套集裝箱內(nèi)，實現(xiàn)自動化運行，或站在風電場的大平原或站在村口或站在你家小區(qū)的某個犄角旮旯默默發(fā)揮作用。
釩液流電池的特性帶來了以下優(yōu)勢：
1.方便規(guī)?；?/p>
對一個儲能系統(tǒng)來講，最重要的性能莫過于功率和電量。一般來講，釩電池可以承受的功率和電極面積成正比，也就是和電堆的大小成正比。而電量的多少和電解液體積成正比，也就是和儲能罐的大小成正比。換句話說，不論工程項目對儲能系統(tǒng)的性能提出怎樣的要求，攻城獅同學都能輕松加愉快的作出相應設計；哪怕遇上奇葩甲方朝令夕改，也能在原有方案上簡單增減儲能罐和電堆的數(shù)目來調(diào)整。
不要小看這一點，此等優(yōu)勢鋰離子電池是非常羨慕的。鋰離子電池的儲能材料涂覆在集流體表面做成電極，其工藝和性能是出場前就由化學家設計好的，很難根據(jù)具體工程項目調(diào)整。那么，想提高功率怎么辦？增大電極面積。想提高能量怎么辦？增大電極面積。于是乎，在鋰離子電池功率和密度是直接相關的，工程上這叫耦合。攻城獅童鞋灰常討厭這種事情。
釩電池的架構更重要的優(yōu)勢在于可擴展性。一個能存一度電的釩電池和一個能存一萬度電的釩電池，結構和控制方法是基本相同的，而且還因為規(guī)?；脑虺杀居兴档?。儲能電解液只要攪一攪，混合均勻就能保證充放電深度的一致性。而如果你想做一個同樣規(guī)模的鋰電池系統(tǒng)，只能單純的堆電池的數(shù)量，同時需要及其復雜的電池管理系統(tǒng)(BMS)來管理每一節(jié)電池的溫度和充放電深度(SOC)，否則出現(xiàn)過充過放過熱都會導致電池報廢甚至危險。一輛特斯拉用數(shù)千塊電池組成的MWh級電池組已經(jīng)很瘋狂了，全靠松下18650優(yōu)秀的一致性和強大的BMS才撐起來。如果在這個基礎上再做大100倍，系統(tǒng)的復雜度會極大的增加成本。
2.壽命長
市場上的鋰離子電池壽命大約是1000-5000次。鋰離子電池的儲能原理主要是鋰離子在固態(tài)電極上的嵌入和脫嵌。電極材料在鋰離子的反復抽插（誤）下發(fā)生應力的變化，久而久之產(chǎn)生裂紋最終導致衰退。然而釩電池的充放電機理是化合價的變化，這是一個完全可逆的過程，實驗室里循環(huán)測試的次數(shù)都是以萬次為單位計的?？紤]到系統(tǒng)中其他部件的壽命，能用半個世紀是完全做得到的。用在你家變電站里，就省去了很大一筆維護的費用。
即使和其他液流電池技術相比，釩電池的耐久性能也是吊打全場的。液流電池電堆的正負極之間是用一層離子交換膜隔開的，避免正負極電解液混合發(fā)生交叉污染。然而現(xiàn)在即使是性能最好的Nafion膜也做不到密不透風，天長日久總會有一部分離子滲透到對面去。對于不對稱的液流電池來說，正極的離子在負極上無法參與電極反應，這就導致容量緩慢下降直到最終降原來的一半。然而對于釩電池來說，正負極正負極電解液成分都一樣，隨你咋滲透，反正我充充電自己就充回來了╮(╯▽╰)╭
需要長時間儲能時，電堆中的電解液可以排空以阻止正負極電解液的接觸，故釩電池的自放電率也比較低，存儲時間可在幾小時到幾天。
3.安全性
上文提到過，鋰電池組需要復雜的電池管理系統(tǒng)來防止過充過放和過熱，過充和大電流會導致電極材料失效報廢，電池膨脹漏液甚至析鋰短路。電池中的碳材料和碳酸酯電解液都是易燃物，如泄露容易導致起火爆炸。
然而在釩電池利用的是水溶液中釩離子可逆的化學價變化，性能不依賴于電極結構，所以即使遭受大電流的虐待也十分耐艸（誤）。同樣過充也只會導致水的電解，只要及時泄壓排出氫氣就沒有問題。至于起火……你覺得水溶液會起火么？╮(╯_╰)╭
如果說有什么安全上顧慮的話，那就是電解液的酸性。釩電池電解液含有較濃的硫酸(2-3mol/L)來提高五價釩的溶解度和水的析氧電位，同時五價釩有一定毒性。然而綜合全壽命周期來看，釩電池的環(huán)境友好性相對鉛酸電池仍有相當?shù)膬?yōu)勢。
有盔甲就有軟肋。釩電池的軟肋就在于其較低的能量密度，只有15-40Wh/L，甚至不如鉛酸電池，導致設備體積重量大，很難應用于移動電源。釩鹽本身分子量較大，在水中的溶解度也有限。市場上的電解液通常用1.5-2mol/L的釩溶液，目前的世界紀錄是3mol/L。答主手頭的項目就是在試圖刷新這個數(shù)字，很慚愧，目前就做了這一點微小的工作。
經(jīng)過30多年的發(fā)展，釩電池的性能已經(jīng)被挖掘到接近天花板，學界也在嘗試利用其它的電化學體系。其中商業(yè)化較成熟的技術有鈉-多硫液流電池，鋅-溴半液流電池（鋅負極為金屬電極），水系液流電池的能量密度的記錄保持者為鋅-多碘液流電池(zinc-polyiodide,167Wh/L)，而有機體系能量密度的記錄保持者為鋰-硫半固態(tài)液流電池(lithium-sulfursemisolid)。其他體系就不展開講了。
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