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天生为储能,出手不平钒!

文章来源:太平洋证券 点击量:120 时间:2021-08-31

一、 钒电池发展历程

1)海外发展

1974年,Thaller提出了一种电化学储能技术,这种新的蓄电池称作液流电池,也是钒电池的前身。

1985年,澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)的Marria Kazacos教授开始研究硫酸氧钒做正负极电解液,提出了全钒液流电池。UNSW1985年申请了钒电池专利以来,一直致力于钒电池的研究。该公司的主要贡献在于发现通过氧化钒(IV)溶液可使高浓度的钒(V)溶液稳定存在于硫酸介质中,从而使全钒液流电池具有实用价值。同时该公司所开发的从钒氧化物中制备钒电池溶液的工艺成本低、性能好,也是钒电池能够得到推广的重要原因。

1993UNSW与泰国石膏制品公司合作,将钒电池应用于太阳能屋。

2001年,加拿大Vanteck公司收购了Pinnacle公司59%的股份,从而拥有了钒电池技术的核心专利权。

2002Vanteck公司改名为钒电池储能系统技术开发公司(VRB PowerSystems),专门从事钒电池技术的开发和转让,成为全球最大的钒电池公司。

2008年,VRB公司在金融危机中被中国普能收购,核心技术和生产线被迅速转移到中国。

日本因受其资源限制,20世纪80年代以来一直从事钒电池的研究,现已组建多套钒电池商用系统并掌握了钒电池的核心技术。其中SEI公司(日本住友)具备完整的生产和组装钒电池系统的全套技术,其组建的钒电池系统已投入商业运营,其技术成熟度高居世界首位。目前SEI公司的25kW实验室钒电池电堆已达16000次循环,历经8a使用正常。除电池隔膜的寿命有限,其他组件都可以循环使用。这一特性较其他寿命有限的化学电池来说,具有很大的成本优势。

2)国内发展

1995年,中国工程物理研究院电子工程研究所首先在中国展开钒电池的研究,研制成功500W1kW的样机,拥有电解质溶液制备等多项专利。

2006年,中国科学院大连化学物理研究所研制成功10kW试验电堆,并通过国家科技部验收,标志着中国的全钒液流电池系统取得阶段性成功。研究开发的全钒液流储能电池示范系统由千瓦级电池模块、系统控制模块和LED屏幕三部分组成。利用该系统可实现利用储能电池储存夜间电能,在日间对LED屏幕进行供电。

清华大学利用在膜分离功能材料制备、膜过程与设备设计等方面的研究经验和技术积累,以及电解质溶液热力学、功能膜材料物理化学、化工过程传质学的丰富理论研究成果,在电堆流道设计、电堆密封结构、锁紧方式方面取得研究成果,并成功研发出全钒液流电池测试平台。

北京普能世纪科技有限公司于2009年收购VRB公司,由此掌握钒电池的核心专利权。普能公司已经在钒电池的电堆集成技术、关键材料研发以及电解液制备技术三方面取得重大成果,占据了国际领先地位。

2011年《“十二五”钒钛资源综合利用及产业基地规划》于年中发布,中国钢铁工业协会钒业分会也于20115月正式成立,表明中国钒钛业发展已上升至国家层面,钒资源新的利用方向-钒电池也开始逐渐为市场所关注。

20151218日,国内最大钒钛生产商攀钢参与合作研发的千瓦级钒电池产品已批量生产,兆瓦级产品处于商业化示范阶段。

2016年,湖北省科技厅召开国家国际科技合作重点专项“高性能纳米线钒系锂离子动力电池联合研发”项目验收会。该项目面向清洁高效能源的可持续发展,通过与哈佛大学开展合作,建成了单次百公斤级纳米线钒系正极材料中试线和自动化电子生产线,完成了纳米线钒系动力电池的装配和装车实验,进行了电动汽车示范运行,对我国发展清洁高效能源系统产生了积极影响。

2020611日中国科学院大连化学物理研究所发布消息称,该所研究员李先锋、张华民领导的科研团队近日成功研发出新一代低成本、高功率全钒液流电池电堆。

钒电池存在体积大,不易搬运的缺点,但优点也十分突出,主要有使用寿命长,可长达20年;电解液可循环使用;电池容量可扩充性强(可以通过增加电解液储存器体积增加容量),可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站;不易燃烧,安全性好;可实现100%放电,而不损害电池。综上,钒电池十分适合作为储能电池,尤其是在光伏、风电等新能源领域。

二、钒电池特征

钒电池主要优点:

1)大功率:通过增加单片机电池的数量和电极面积,可以提高钒电池的功率。美国商业示范运行的钒电池功率已达6兆瓦。

2)大容量、储能容量可控:通过任意增加电解液的体积,可以任意增加钒电池的功率,达到超过GWH;通过增加电解液的浓度,可以成倍增加钒电池的功率。

3)高效:由于钒电池电极的催化活性高,正负活性物质分别储存在正负电解液储槽中,避免了正负活性物质的自放电消耗,充放电能量转换钒电池的效率高达75%以上,远高于铅酸电池的45%

4)使用寿命长:由于钒电池正负活性物质分别只存在于正极和负极电解液中,在充放电过程中其他电池的相位没有变化,可以在不损坏电池的情况下进行深放电,电池使用寿命长。加拿大VRB动力系统商业示范中运行时间最长的钒电池组件已正常运行9年多,充放电循环寿命超过18000次,远高于固定铅酸电池的1000次。

5)响应速度快:钒电池组充满电解液瞬间启动。运行过程中,充放电状态切换仅需0.02秒,响应速度为1毫秒。

6)瞬间充电:通过改变电解液可以实现钒电池的瞬间充电。

7)安全性高:钒电池无爆炸、火灾隐患,即使正负电解液混合,也无危险,但电解液温度略有上升。

8)制造和安置便利:波流电池选址自由度大,系统可全自动封闭运行,无污染,维护简单,操作成本低。

9)深充深放:系统深充深放不会对电池性能造成影响,系统放电深度(DOD)≥90%。在快速、大电流密度下充放电,不会对电池造成损伤。

10)环境友好:电解液均为液体,能无限次循环使用,且电解液可回收利用,不会对环境造成污染;电堆材料中电极采用炭/石墨毡,双极板大多采用石墨或碳材料,报废后不会对环境造成污染。其他材料多为高分子材料,可回收利用。

主要缺点:

1)比能量低:体积庞大,钒电池的质量比能量是锂电或钠硫电池的 1/3~1/2,将使电池沉重、庞大,这也直接导致了钒电池不适宜用于电动汽车,只能用在静态储能装置上。

2)对环境温度要求苛刻:钒电池正极液中的五价钒在静置或温度高于 45℃的情况下易析出五氧化二钒沉淀,析出的沉淀堵塞流道,包覆碳毡纤维,恶化电堆性能,直至电堆报废,而电堆在长时间运行过程中电解液温度很容易超过 45℃。另一方面,温度不能低于电解液的冰点,否则电解液凝固将使电池不能运转。因此一般的运行温度都要求在 0~45℃之间。

3)正极极板易报废:石墨极板要被正极液刻蚀,如果用户操作得当,石墨板能使用两年,如果用户操作不当,一次充电就能让石墨板完全刻蚀,电堆只能报废。在正常使用情况下,每隔两个月就要由专业人士进行一次维护,这种高频次的维护费钱、费力。

3)比能量进一步提高受限:受不同钒离子在 10~40 ℃范围内溶解度的限制,全钒液流电池总钒浓度被限制在2M以内,制约全钒液流储能系统比能量的提高。

4)成本过高:一个5kw的电堆目前的成本大概在4万~5万之间,这为钒电池的推广普及带来重要的障碍。