在 2001 至 2021 这十年间,全球至少有 34 起储能电站出事,其中 32 起都跟锂电池有关。2021 年的前两个季度,中国发生了 6462 起电动车
起火的事儿,80%都因为锂电池爆炸。
各种各样的锂离子电池燃爆事件,让公众的焦虑不断加剧。
因为锂离子电池有好多不足得弥补,而且也得增加些别的能源电池以防万一,专家们就着手研究各种新的电池材料,接着在三元电池、磷酸铁锂电池、氢燃料电池、钠离子电池之后,“钒电池”问世了。
相比之下,钒电池的稳定性和续航一点都不差!未来它会不会把锂电池给取代了呢?
【锂电池之外,新的钒电池】
钒电池,全名是全钒氧化还原液流电池,这名字又拗口又特别学术。不过呢,理解起来倒不难,从名字就能知道,它是以钒这种活性物质呈循环流动的液态,通过氧化还原反应,把化学能变成电能的电池。
而叫这个名字的钒恰恰是这种电池的基础材料。钒是一种金属元素,有“储能之神”的称呼,最开始是在煤矿行业、钢铁行业当作氧化剂来用的
。后来人们发现了钒的电子置换反应,就把它用到储能电池里了。
在咱国内,钒电池被看成是更年轻、更有未来前景的“电池后备队伍”。特别是和锂电池相比,钒电池功率大、安全性强,储能上限还特别高,有这些超级厉害的优点。
由于钒电池里的活性物质是以循环流动的液态形式存在的,这就能把正负两极的浓差极化降到最低。
最低能说明啥?不会有温度大幅升高、电池失热的问题。这差不多从根本上躲开了最危险的爆炸风险。
而且由于所有部件差不多都泡在电解液中,所以散热容易,也避免了自放电的消耗,不会有电池放着就有损耗的问题。这种损耗的降低能够促使钒电池的能量转换效率提升,能够达到 75%的转换率,能承受大电流的充放电,保证循环次数起码能有 13000 次,使用寿命能达到 15 至 20 年。
关键在于,钒电池能够做到“瞬间即充”。由于电解液布满了整个电池组,在运行的时候,只需 0.02 秒就能切换充放电的状态,响应速度仅 1
毫秒。那真是“唰”地一下就成了。
正是因为上面提到的好多优点,好多领域都对钒电池充满期待,像电源、电网、基站这类能源安全领域,钒电池都会有重要作用。
【钒电池的研制,我国仍在前进中】
【1】全球现有的钒电池专研企业和科研院所
钒电池在国外的发展和运用比国内早不少。1984 年,澳大利亚新南威尔士大学的一位教授提议研发钒系电池,1986 年拿到了专利。1994 年,钒电池先是用在了高尔夫车上,在小高尔夫车上试用后感觉挺好,接着就一下子升级成了加拿大潜艇的备用电源。
在全球来看,如今专门研究钒电池的企业和机构不再像最初那样少得可怜。像泰国的 Cellennium 公司,就在努力开发可持续且成本低的钒电池;
日本建了 15 座液流储能电池电站,住友电工建了商用的钒液流储能电池系统,其掌握的生产及电池组件技术在全球属于成熟的第一梯队。
更何况,在日本,除了住友电工,还有三菱化工、横滨大学钒电池隔膜商业研究所、Kashima- Kita 电力等这样的巨头企业呢。
那中国怎么样呢?单说纯粹的储能企业,中国有个叫“普能世纪”的企业,它从事全钒液流电池储能系统,涵盖了从研发、生产、制造再到配套的整个流程。
关键在于,普能世纪在 2009 年把加拿大的 VRB Power 公司给收购了,而这个 VRB Power 公司当年是从澳大利亚新南威尔士大学那儿买的钒电池核心技术,它是加拿大的能源公司。
除了普能世纪,咱中国还有像中国科学院大连化学物理研究所、沈阳金属研究所、清华大学跟承德万利通集团联合搞的液流电池研究中心、攀钢集团的钒电池研究部、中国工程物理研究院电子工程研究所这些专注于研究钒电池系统的科研单位。
其中,大连化学物理研究所跟西藏太阳能研究示范中心在西藏一块儿安装了“太阳能光伏发电—5kW/50kWh 液流电池储电”的联合供电系统,运
行得特别好。沈阳金属研究所搞出来的钒电池储能示范电站装在沈阳科学宫里,既能给科学宫照明提供能量,还能对去参观的人起到普及和示范的效果。
【2】中国为什么选择了钒电池?
就像国内好多新能源行业的“大佬”讲的那样,储能行业不会是只有一种技术能独霸天下,每种技术都因为自身独特的优点会被用在恰当的地方。因此,安全还经济的钒电池系统当下正处于被国家大力支持的状态。
2021 年 7 月,国家发改委与能源局出台了《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,准许各种储能电池进入电力市场。
2022 年 6 月,能源局再次发布了《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022 年版)(征求意见稿)》,称:从安全性能方面着想,三元锂电池、钠硫电池,还有梯队电池(就是车用的磷酸铁锂动力锂电池容量降到 80%以下后,转而用于通信基站备用电源和储能的那种电池),不能用在中大型的化学储能装置里。
就这样,这几个文件一发布,钒电池就像黑马似的,被好多企业看好。特别是跟多用于电动汽车这类常见领域的锂电池不一样,钒电池更多是
用在储能行业。储能行业最核心考虑的是安全,成本和体积都不是首要的,就安全最重要。寿命长、安全性能高的钒电池刚好符合储能电站的需求。
同时特别重要的是,钒电池的研发与使用能让中国改变在电池材料上严重依赖进口的局面。锂电池的原料嘛,一听就知道是锂矿,中国是全球最大的锂消费国,自己生产的比例特别低,再加上矿石质量不太好,所以中国的锂电池一直用的都是进口的锂矿石。
到 2022 年 10 月为止,电池级碳酸锂的价格涨到了每吨 53 万元,平均报价还得多 0.15 万元。这价格跟 2021 年相比,涨了整整 8 倍呢。
在这样的情况下,钒电池的兴起那是没法阻挡的。
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我国既是钒资源的最大消费国,也是最大生产国。中国有 510
万吨钒资源,在全球的占有量排第一,主要分布于四川攀枝花和河北常德这两个地方。这两个地区的钒资源,给攀钢集团以及清华和承德万利通合建的液流电池研究中心带来了特别好的资源供应优势。
钒资源的优势是能保证从能源安全的角度来看,矿产原料主要被咱们国家掌控着。
【3】中国钒电池的前景如何?
一方面,不少在旁边看着的人说,不管钒电池咋发展,现今用的主流还是锂电池;另一方面,钒电池的市场占有量不大,产业还在发展的开头阶段。在这样两边受挤压的状况下,钒电池到底是不是空谈,到底值不值得看好呢?
实际上,风口的出现没什么动静。等所有人都晓得它是风口了,可能也就是风要停的时候,中国正在抢这个先呢。
在上游的原料供应企业里,国内的大企业有攀钢钒钛、河钢承钢、建龙特钢、川威集团以及德胜钒钛这五家,特别是攀钢钒钛,它拥有全球最
大的钒钛磁铁矿。在生产企业当中,“国”字头的国网英大和上海电气都是很有实力的上市公司,没上市的像北京普能和大连融科等,也都是既有实力又有野心。
除了供应链上的问题,技术方面的难题也正在一个一个被解决。钒液流电池最难解决的技术限制有电池离子交换膜、石墨毡电极材料、电解液还有电池组装这些。
现在呢,中国科学院宁波材料技术与工程研究所在 2015 年的时候就已经做出了电导率、吸水率还有稳定性都不错的交换膜。
长沙理工大学跟好多科研团队一起,自主弄出了世界上首个液流电池电极材料大尺度生长的设备,还搞出了一种新的大尺寸石墨烯复合电极。
可以讲,每个关键技术的难点都正在被攻克。
可能有人觉得没大规模落地用起来的钒电池成不了未来主流,可实际上呢,全钒液流电池项目在咱国家的西藏、新疆、福建、辽宁等地都已经
落地运行啦。并且钒电池的大规模商业化也开始起步喽。
攀枝花构建起了完备的全流程钒钛资源综合开发系统,大连物理化学研究所自行研发的全钒液流电池储能技术被运用到了我国首个百兆瓦级全钒液流电池储能调峰电站……从 2022 年起,中国有不少大型全钒液流电池项目都启动了。
虽说全钒液流电池还有密度低、投资成本高这类问题,不过咱们得相信,这些问题跟其他技术难题没啥两样,都能依靠技术创新和市场优化给解决掉。
在这种啥都蓬勃发展的态势下,全钒液流电池已经有了成为储能主流技术的资本,啥都准备好了,东风也慢慢刮起来了。与其讲钒电池还没大范围商用呢,不如说这是它爆发式应用的前夕!
以下是相关资料:
费心懿:产业大腕瞄上钒电池,储能“新苗”见到商业化亮堂,21 世纪经济报道舒娅疆、刘欢:钒电池成储能新热门,好多公司安排相关产业链,证券日报周军、王彦华:攀钢钒电池产业化迈上新台阶,中国冶金报茹阳阳、王可仲:钒电池“突然冒尖”,跨越式增长前景能行不?中国经营报陈邦祺:储能大
神,“钒”来啦!国企管理. 2023(01)杜若涵、逄博、王宁等:连续共价有机框架筛分复合膜及全钒电池性能,化工学报. 2022,73(09)柳东东、林茂才等:全钒氧化还原液流电池 Nafion/SiO2 复合膜的研究,电化学. 2010,16(04)魏甲明、刘召波等:全钒液流电池技术研究进展,中国有色冶金. 2022,51(03)李媛媛:钒电池产业碰上发展好时机,中国证券报
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