空气储能与全钒电池浅析Word格式文档下载.docx

1、日本提出了阳光计划、新阳光计划；美国倡议绿色能源计划、阳光发电计划，中国制定了金太阳工程等等。随着全球第三次能源结构的调整，在高技术发展的支持下国际上大规模开发利用可再生能源技术已取得重要突破，太阳能、风能等可再生能源已成为能源系统中发展最快的新型能源。可再生能源技术的发展是能源系统的重大变革，对能源的存储问题提出了更大的挑战。国务院2014年11月印发的能源发展战略行动计划（2014-2020），将储能明确列入9个重点创新领域，大容量储能和氢能将列入20个重点创新方向。图1 储能系统应用领域概述及分析铅酸电池、锂离子电池作为最早提出并商业化的电化学储能产品，商业应用时间最长、电池的产品技术最

2、为成熟。但在能量密度、寿命、充放电效率、环境友好等问题限制了其在储能方面的广泛应用，在风光储能、电力调峰、通讯基站等领域将有所减少。钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Flow Battery）简称钒液流电池，因其电解液为单一金属钒离子溶液，故也称全钒液流电池。该电池是一种新型的绿色环保储能系统，它既具有液流电池的特点，又因单一金属离子可以循环使用，而被技术专家认为是一种非常有前景的、大功率的、可上规模的储能电池。全钒液流电池作为一种新型高效的储能技术，目前成为新能源大规模储能技术领域的重要发展方向。二、全钒液流电池的发展历程及现状全钒液流电池（简称VRB）其研究始于20世纪80

3、年代。由Thaller于1974年提出，美国航天局（NASA）曾开发Fe/Cr电解质溶液体系液流电池。1984年，新南威尔士大学的Maria Skyllas-Kazacos等提出全钒液流电池原理1。1986年全钒液流电池体系获得专利。1988年，UNSW提出并开始建造1kW级全钒液流电池堆。该电池堆由10个单电池组成，能量效率可达72%88%。标志着全钒液流电池开始走出实验室，迈向工程化研发阶段。全钒液流电池工程发展的第二个阶段主要集中在日本。从20世纪90年代初开始，以日本住友电工（SEI）和Kashima-kita电力公司为首的工业企业先后开发了一系列规模不一的实验性电堆。通过对电堆关键材

4、料和工程设计进行深入探索，逐步把全钒液流电池系统推向商业化试运营阶段。随着VRB Power Systems和住友电工的技术发展和商业化运作进入实用化阶段。日本住友电工（SEI）作为全钒液流电池领域重要的领军企业，将在2015年建成15兆瓦/60兆瓦时全钒液流电池电站，用于解决北海道局部区域大规模太阳能电站并网带来的调峰和电能量压力，该项目的成功实施将是全钒液流电池领域又一里程碑。2014年，美国UET公司在美国能源部和华盛顿清洁基金的支持下，建立了3兆瓦/10兆瓦时全钒液流电池储能系统。该项目中首次使用混合酸性电解液技术，将能量密度提高约40%，并能拓宽全钒液流电池使用温度窗口和电压范围，减

5、少热管理能耗。目前，提高液流电池的能量效率和系统的可靠性、降低其成本是液流电池大规模普及应用的重要课题。表1 2000年后部分全钒液流电池工程项目我国在液流储能电池的基础研究工作起步略晚于日本、美国，单目前已在液流储能电池技术开发和应用示范中取得重要进展。2008年11月国内首创100kW级全钒液流储能电池系统和10kW级电池模块。2010年5月在大连融科在高新技术产业园开展的60kW/300kWh全钒液流储能电池系统与光伏建筑一体化的示范系统已投入使用3。融科储能公司与中科院大连化学物理研究所长期坚持“产、学、研、用”，立足自主创新。现已经累计实现全钒液流电池装机容量15MW。2013年5月

6、，设计建造的当时全球最大规模5兆瓦/10兆瓦时全钒液流电池储能系统在国电龙源卧牛石50兆瓦风电场成功并网运行。相继实施的位于锦州的风电并网用3兆瓦/6兆瓦时储能项目也是我国探索储能商业模式的重要案例。三、全钒液流电池结构及工作原理全钒液流电池是一种新型电化学蓄电储能装置,主要由电堆系统、电源负载系统、电解液存储与供应系统等部分组成。电堆系统由电极、离子交换膜、双极板、板框PVC、电解液等组成。图3 全钒液流电池装置图 图4 电堆系统及电堆示意图该电池以电解液中含不同价态的钒离子作为正、负极活性物质，分别装在两个大储液罐的溶液中，通过外接泵将电解液泵入到电池堆体内，使其在不同的储液罐和半电池的闭

7、合回路中循环流动；采用离子膜作为电池组的隔膜，电解液平行流过电极表面并发生电化学反应，将电解液中的化学能转化为电能，通过双极板收集和传导电流。在钒电池中，正极发生的是+4和+5价钒离子的氧化还原反应，负极发生的是+2和+3价钒离子的氧化还原反应。正负极电化学反应构成了全钒液流电池的基本原理，反应方程如下4：充电过程：正极：VO2+ + H2OVO2+ + 2H+ + e E0=1.00V负极：V3+ e V2+E0= - 0.26V放电过程：VO2+ + 2H+ + e = VO2+ + H2O V2+ - e = V3+E0= - 0.26V钒属于VB族元素，其价电子结构为3d34s2,这决

8、定了钒的化学性质比较活跃。通过电子的转移形成电流，电对之间的标准电位差约为1.26V5。图5 全钒液流电池电极反应原理示意图全钒氧化还原液流电池是用V（）/V（）和V（）/V（）氧化还原电对的硫酸溶液分别作正负半电池电解液的。完全放电态（即SOC=0）：正半电池电解液为V（）的硫酸溶液，负半电池电解液为V（）的硫酸溶液；完全充电态（即SOC=1）：正半电池电解液为V（）的硫酸溶液，负半电池电解液为V（）的硫酸溶液；其余的电荷状态（即0SOC1），则正半电池为V（）和V（）的混合硫酸溶液，负半电池为V（）和V（）的混合硫酸溶液，依电荷状态的不同，混合溶液中各自的比例不同。电荷状态的计算见公式：四

9、、全钒液流电池关键原材料1.1 全钒液流电池电极材料电极作为电池最重要的部件之一，电极及其相关特性，包括成本和加工工艺等，已经成为了钒电池系统研究和发展的关键方面。选择合适的电极材料，可以提高钒氧化还原的电化学活性，最终实现钒电池能量效率的提高。钒电池的电极材料有石墨毡和碳毡之分。烧制温度高、石墨化程度高的为石墨毡。石墨毡价格相对来说会高一些。而碳毡是通过对电极的表面进行处理，得以提高其性能。按原材料不同主要分为聚丙烯氰基和粘胶基两大类。从降低电极成本，减轻电池质量的角度出发，对多种碳素材料的研究结果表明，聚丙烯氰基的效果更好。1.2 全钒液流电池离子交换膜影响钒电池使用寿命的关键组件是电池离

10、子交换膜，它一直制约着钒电池的发展。适用于钒电池的隔膜必须是亲水性的，允许H+自由通过，但是又要求必须能抑制正负极电解液中不同价态的钒离子的相互混合，避免电池内部短路，抑制电池的自放电，进而延长电池的寿命，这就要求选用具有良好的导电性和选择性的离子交换膜。钒电池的离子交换膜必须满足下列条件：（1）良好的化学稳定性， 耐电化学氧化。（2）氢离子能在膜中自由通过，有较高的电导率。（3）对正负极活性物质有良好的隔绝性能，钒离子渗透系数低。（4）具有更长的使用寿命。离子交换膜的物理化学稳定性是指隔膜抵御环境影响的能力，如耐酸性，抗氧化性等。一种离子交换膜能否应用于钒电池中，要考察该离子交换膜是否具有良

11、好的机械性能、耐酸性和抗五价钒的强氧化性等。理想的隔膜应具有高的电流效率，电压效率，能量效率和长的使用寿命。杜邦公司的 Nafion 系列产品是应用最广泛的离子交换膜，该产品具有高的质子导电率和良好的稳定性。在国内来说，清华大学化工系王保国教授联合承德万利通集团公司经过多年研发创新，已经在离子交换膜方面有所突破，研发出性价比优于美国杜邦公司Nafion 膜产品，并得到应用。1.3 全钒液流电池用双极板双极板是全钒液流电池的关键部件之一，起着连接不同单电池的正负极并导通电池内电路的作用。由于全钒液流电池的电解液中含有大量的硫酸，且充电电位较高，双极板主要有金属双极板、石墨双极板和碳塑双极板。归纳

12、起来双极板具备几个特性：1、导电性，双极板导电性越好电池的性能越好。2、耐腐蚀性，双极板不参与电池电解液反应。3、无空隙，有效防止钒电池正负极电解液相互渗透。；4、高强度，压缩石墨毡或碳毡需要很大压力。五、全钒液流电池的特点全钒液流电池作为储能系统具有的特征如下：1、电池系统组装设计灵活，易于模块组合，蓄电规模可大可小。2、全钒液流电池使用寿命长，寿命在15-20年。3、全钒液流电池功率输出和能量储存是相互独立，可根据地理环境条件设计建设。4、电池系统速响应速度快，高功率输出钒电池充电放电可在1/1000秒时间内完成。5、电池能量效率高达85%以上。6、电池易于维护、安全稳定。7、环境友好，电

13、池的活性溶液可重复循环使用，不存在环境污染。六、结语在国家能源产业“十三五”规划中明确指出，液流电池在十三五期间从示范项目转入商业化阶段，装机容量也必将出现“井喷式”需求发展。许多国家将液流电池产业化提高到了国家战略高度予以重视。同时，国家能源产业“十三五”规划报告认为在“十三五”期间全钒液流电池的研究热点将集中在优化系统设计、提高关键材料的性能、降低原材料成本、提高原材料高效性稳定性上。通过储能技术发展为加快液流电池产业化应用助力。总的来说，液流电池前景还是非常光明的，必将在未来储能领域中得到广泛应用。专家解读全钒液流电池无不不能发布时间：2016-1-3 14:27:11锂离子电池是这几年

14、储能界的香饽饽。据数据统计，2014年储能技术新增装机中，锂离子电池占比最大达74%。特斯拉的超级电池工厂选择的就是锂离子电池技术进行研发和生产，他们还针对小型储能市场推出了Powerwall，广受市场欢迎。但其实，根据应用领域对储能技术的要求不同，各种储能技术都有其适宜的应用领域。当应对大规模储能应用时，锂离子电池就遇到了对手。据外媒报道，美国能源部正在支持美国UniEnergy Technologies公司执行一个新型液流电池储能项目，目标就是在项目达到大规模和电网一体化时，能够将液流电池和特斯拉电池为主的锂离子电池进行比较和对照。一般说起储能技术，大家都会觉日本、美国最牛，可是在液流电池

15、领域，中国可以说是全球No.1。目前，全球最大规模的全钒液流电池储能系统就是由中国企业开发，而且国际上液流电池标准体系也是由中国科学家组织研究制定。能豆君拜访了该标准体系制定的负责人、同时也是全球最大规模全钒液流电池系统项目总工程师张华民教授。张教授现任大连化学物理研究所首席研究员、国家能源液流电池储能技术重点实验室主任、大连融科储能技术发展有限公司副总经理、总工程师。张华民教授是在2000年作为中国科学院百人计划人才，回国到大连化学物理研究所工作，此前在日本留学并从事燃料电池研究工作。回国后，张华民教授先后担任燃料电池研究中心主任、所长助理、储能技术部部长。张华民教授为何从燃料电池转为液流电

16、池？从2000年开始，中国储能15年发生了什么？未来储能技术发展前景如何？敬请大家关注无所不能2015年度峰会能者说Energy Talk，张华民教授作为特约嘉宾将为能豆粉们分享他的精彩经历与他对储能技术未来蓝海的判断。今天能豆君先带大家提前科普一下什么是液流电池，看看为什么大规模储能的未来在这里。1.什么是液流电池？液流电池，是一种活性物质存在于液态电解质中的二次电池技术。电解液置于电堆外部，在循环泵的推动下流经电堆，并发生电化学反应，实现化学能与电能的转换，从而实现电能的存储与释放。2.液流电池有什么特点？储能容量易调节规模。电池的输出功率取决于电堆的大小和数量，储能容量取决于电解液容量和

17、浓度，因此液流电池的规模设计非常灵活：只要增加电堆的面积和电堆的数量，就可以增加输出功率；只要增加电解液的体积，就可以增加储能容量。液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。安全性高。电解质溶液为水溶液，电池系统无潜在的爆炸或着火危险，安全性高。3.液流电池的类型根据活性物质的不同，液流电池可分为全钒、锌/溴、多硫化钠/溴、铁/铬等多种技术路线。发展至今，世界范围内液流电池总装机量约68MW，其中全钒液流电池占40%。从目前技术成熟度和工程应用效果看，全钒液流电池技术进入工程应用、市场开拓阶段，开始实现商业化；锌溴液流电池技术进入应用示范、市场开拓阶段；其他液流

18、电池仍处于研究阶段。全钒液流储能电池正极电对为VO2+/VO2+，负极电对为V2+/V3+，电极发生如下电化学反应：4.全钒液流电池技术特点循环寿命长：全钒液流储能电池的充放电循环寿命可达13，000次以上，日历寿命超过15年。充放电特性良好：全钒液流电池储能系统具有快速、深度充放电而不会影响电池的使用寿命的特点，且各单节电池均一性良好。另外，钒离子的电化学可逆性高，电化学极化也小，因而非常适合大电流快速充放电。功率和容量独立设计：全钒液流电池的功率由电堆的规格和数量决定，容量由电解液的浓度和体积决定。因此，功率的扩容可通过增大电堆功率和增加电堆数量实现，容量的提高可以通过增加电解液体积实现。

19、安全、环保：全钒液流电池储能系统是在常温、常压条件下工作，这不但延长了电池部件的使用寿命，并且表现出非常好的安全性能。另外电解质溶液可循环使用和再生利用，环境友好，节约资源。电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，使用寿命长，材料来源丰富，加工技术成熟，易于回收。总体看，全钒液流电池在输出功率为数百千瓦至数百兆瓦，储能容量为数百千瓦时至数百兆瓦数时以上级的规模化固定储能场合，液流电池储能具有明显的优势，是大规模高效储能技术的首选技术之一。5.全钒液流电池面临的挑战有哪些？离子交换膜技术。离子交换膜可以影响正、负极电解质之间的离子相互渗透率，从而影响液流电池的能量效率和电池的寿命，需要研究开发高选择

20、性、高导电性的液流电池用离子交换膜。高浓度和高稳定性的电解液制备技术。此前电解液成本占到总成本的近50%。目前由于电池成本下降，电解液成本所占比例更大了。能量密度偏低、体积较大。电池系统需要配置大量的管路、阀件、电解液循环泵、换热器等辅助部件，使液流电池更为复杂，对电池系统的可靠性提出了更高的要求。6.液流电池发展现状&前景怎么样？全钒液流电池适用于调峰电源系统、大规模光伏电源系统、风能发电系统的储能以及不间断电源或应急电源系统。全球范围内全钒液流电池生产企业主要包括：日本的住友电工公司、大连融科储能技术发展有限公司（下称：融科储能公司）、美国UniEnergy Technologies公司和

21、奥地利Gildemeister公司。日本住友电工公司早在上世纪90年代开始全钒液流电池技术研发，具有领先的系统集成和工程应用技术，但其关键功能性材料和部件依赖外购，成本偏高。美国UniEnergy Technologies公司拥有世界领先的混合酸型全钒液流电池技术，承担建造了美国首个兆瓦时级全钒液流电池储能电站。Gildemeister公司从2002年开始研发全钒液流储能电池，产品主要与太阳能光伏电池配套，用于偏远地区供电、电动车充电站等领域。我国全钒液流储能技术和产业发展处于世界领先水平。目前，融科储能公司累计实现全钒液流电池装机容量超过12MW，占世界总装机量的40%。2013年，融科储能

22、公司与大连化物所联合研制的全球最大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统成功通过业主的验收，这是目前世界上第一套实际并网运行的5MW级大型工业储能装置，各项指标都处于国际领先水平。2014年，融科储能公司与德国博世集团（BOSCH）合作，在德国北部风场建造了250kW/1MWh全钒液流电池储能系统。该系统是目前欧洲最大规模的全钒液流电池系统，产品的性能和稳定性受到海外客户的高度评价。融科储能公司还与美国UniEnergy Technologies公司合作，建造了美国首座兆瓦级全钒液流储能电池电站。关键字:全钒液流电池储能电池全钒液流电池支撑新能源大规模并网中国能源报发布时间：2016-4

23、-27 23:07:15中国储能网讯：张华民有多重身份，既是大连融科储能公司总工程师，也是中科院大连化学物理所研究员。在张华民的带领下，由两家机构组成的联合研发团队针对“全钒液流电池储能技术及应用”开展了十余年的研发攻关。在2015年国家科学技术奖中，该成果荣获国家科学技术发明二等奖。这是一项怎样的技术发明？又开创了一条什么样的自主创新与产业化应用之路？本报记者在采访中得到了答案。全钒液流电池满足新能源并网技术要求风能、太阳能等可再生能源发电具有不连续、不稳定、不可控等特性，大规模并网会给电网安全稳定运行带来冲击，也造成了大量的弃风弃光问题。在当初选择液流电池开发时，张华民便笃定，可再生能源将

24、逐渐由辅助能源转为主导能源，而风能、太阳能等可再生能源普及应用的瓶颈技术就是储能。“大规模储能技术可以有效实现可再生能源发电的随机性、间歇性和波动性等问题，实现调幅调频、平滑功率输出、跟踪计划发电，从而提高电网对可再生能源发电的消纳能力，解决弃风弃光问题。”张华民说。国内从2000年开始液流电池技术的开发，在技术路线选择上，张华民认为，必须满足三个条件：安全性好、生命周期性价比高、生命周期的环境负荷低。“全钒液流电池储能技术因其具有储能规模大，适合于百千瓦到百兆瓦级的应用范围；充放电切换应答速度快；储能介质为水溶液，安全可靠；电池均匀性好，使用寿命可达15年以上，而钒电解液可以半永久性地反复使

25、用，寿命周期性价比高，环境友好等突出优势，是大规模储能的首选技术之一。”张华民回忆说。在敲定技术路线后，进入到研发阶段，张华民发现技术门槛还是非常高的。“全钒液流电池储能系统的开发要求多学科交叉，涉及到材料学、电化学、化学工程、自动控制等学科，而且技术在国际上都是处在同一位置，无既有经验可资借鉴。”在挑战面前，研发团队立足自主创新，十多年来坚持基础研究与应用开发并重，关键材料、核心部件研发及电池系统集成创新与示范应用的研究开发理念，取得了一系列重大技术突破。自主产权奠定产业化基石张华民告诉记者，研究团队始终坚持政产学研用紧密合作的创新研究开发机制，形成了包括液流电池关键材料设计制造、电堆及电池

26、储能系统设计集成、储能系统智能控制、工程应用及运行管理、液流电池新体系在内的完整自主知识产权体系。第一，突破了液流电池关键材料包括非氟离子传导膜、电解质溶液、液流电池双极板的设计与制备技术，原创性地研制成功液流电池用高选择性、高传导性、高稳定性非氟离子传导膜，高导电性、高活性碳素复合双极板材料及高稳定性电解质溶液。第二，突破了全钒液流电池电堆的设计集成技术，发明了大功率、高功率密度电堆结构设计方法和制造技术，设计集成出32千瓦大功率液流电池单体电堆，突破了单体电堆工程化制造技术。第三，突破了高功率、大容量、高集成度全钒液流电池储能系统设计方法及多体耦合控制技术。原创性地提出了模块化设计理念，开

27、发出不同规模等级、可独立运行的全钒液流电池单元系统模块。突破了多系统耦合控制技术，实现了多个液流电池单元系统模块高效、经济与稳定运行。发明了大规模储能系统控制管理策略，实施了迄今世界上最大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统的商业化应用工程。此外，在技术开发过程中，张华民非常重视标准的制定，通过全钒液流电池的开发，研究团队主持起草了3项行业标准、5项国家标准和1项国际标准，领军能源行业国家及国际液流电池标准的制定，引导了全球液流电池技术的发展。产业应用已见成效在液流电池储能系统产业化应用上，张华民的夙愿已见成效。通过全钒液流电池储能系统的开发，实施了为海岛、边远地区可再生能源发电、分布

28、式供电及风电场平滑输出、计划发电等提供储能解决方案的近30余项商业化示范工程，积累了丰富的工程技术和运行管理经验。与此同时，依托自主知识产权的技术优势和经验积累，积极开展国际合作，开拓国际市场。产品已出口美国、欧洲、日本等多个国家和地区，自2003年至今，大连融科储能公司的全钒液流电池用电解液已出口300多兆瓦时，约占全球市场份额的75%；2014年，成功中标欧洲首套兆瓦以上级商业全钒液流电池储能项目，并已在德国分布式电网中获得应用。对进一步扩大产业化应用，张华民建议，储能也应该像其他产业一样，有产业政策的支持。“储能产业必将是战略性新兴产业，是一个万亿美元的战略性新兴产业，现在国家得赶快出台扶持政策。全钒液流电池在储能领域的开发进展与实际应用钒电池发布时间：2016-5-9 10:15:52作为解决可再生能源大规模接入、传统电力系统削峰填谷、分布式区域能源系统负荷平衡的关键支撑技术，大容量储能技术已成为世界未来能源技术创新的制高点。由于产业链长、产业规模大，储能产业已成为战略性新兴产业，得到了工业发达国家产业界的重点关注。2016年4月1日国家能源局颁布的2016年能源工作指导