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聚焦 BICI打造规模储能新秀,从这里读懂“全钒液流电池”

北京协同创新研究院2022-08-21 06:27:11


在新能源技术开发成为全球性发展趋势的今天,各种新能源的潜力被不断挖掘,如页岩气的应用及推广使国际油价大跌,当然能源的紧缺也将成为人们关注的焦点。根据咨询机构麦肯锡预测,到2025年,储能技术对全球经济价值的贡献将超过1万亿美元




业内专家普遍认为,与其他储能技术相比,全钒液流电池储能技术因其使用寿命长、规模大、安全可靠等突出的优势,成为规模储能的首选技术之一。




2012年,美国制定的储能技术发展规划已经将全钒液流电池列在首位加拿大安大略省2015年招标的5个储能项目中,液流电池技术中标了4个。在欧洲日本南非等国家,已建立了超过20余家全钒液流电池储能系统的示范工程。




伴随着可再生能源、分布式微网和智慧能源的加速发展,全钒液流电池技术未来在储能行业具备无可估量的发展潜力,甚至有可能将改变未来的能源格局







我国钒储量占世界总储量的11.6%,居世界第三,具有得天独厚的优势。如何开发和利用好这一万亿级新蓝海产业?是我国新能源开发及应用的历史性命题。




BICI的小编

不过,目前大众对电池的理解大多停留在锂离子电池和燃料电池范畴,对全钒液流电池还很陌生。下面,请跟随我们读懂它——


首先,我们要了解什么是液流电池?

谓液流电池,又叫氧化还原液流蓄电系统,最早可以追溯到1974年受NASA资助的项目。跟蓄能电池的老前辈铅蓄电池比起来,液流电池还是个年轻后生



我们通常了解的蓄电池有阴极和阳极,活性物质被包容其中。而液流电池的活性物质以液态的形式存在,储存在两大储液罐中,各由一个泵使溶液流动,在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。大致原理示意图就如下图。


那么,全钒液流电池的工作原理是什么?

它包括正负两极的电解液罐、水泵以及中间的电堆。电堆中包括端片(绝缘框架)、集流体(主要为铜)、石墨片、碳/石墨毡电极及离子交换膜。其中电极材料离子交换膜是两个最重要的部分。


下图为其结构与原理的简单示意——

工作时,正负两极的电解液罐分别含有V4+V5+V2+V3+的水溶液。外接泵将两极的电解液压入电池堆体内,在半电池和储液罐循环流动,中间加上隔膜。当外加电压时,利用电解液流经正负电极表面发生的氧化还原反应储能。

以下是组成全钒液流电池的基本单元

电解液

全钒,顾名思义,其电解液均为含有钒离子的溶液。电解液的制备方法主要有三种:物理溶液法,化学还原法及电解法。常规的溶液硫酸常与钒离子形成长链状化合物,影响其稳定性,故需要对电解质优化,常用的方法有加入添加剂和更换新体系。




电极

电极材料是钒电池至关重要的一部分,对其进行的研究也是最深入的。现阶段,电极材料分为金属类、碳素类和复合型电极。



 

离子交换膜

离子交换膜主要用于防止正负极短路且保持离子浓度平衡,目前研究中主要集中于含氟膜和非含氟膜的研究。全氟磺酸膜是最常用的含氟膜,但其合成步骤繁琐,价格昂贵。




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介绍完钒电池的基本单元之后,我们再来看看它与其他蓄电池相比的“神通”之处在哪?


01
钒液电池的电解液可以单独储存,运输到需要用电的地方使用,而且通过更换电解液可以实现快速充电,操作非常灵活,其功率和容量可以独立设计


02

环境适应能力较高电池性能受温度影响很小,当温度恢复时,电池容量也可以完全恢复。该系统可全自动封闭工作,不会产生酸雾及废旧电解液。



03

理论上安全性高。因其活性物质存在于电解液中,不会引起物象变化,可深度放电而不影响电池寿命。另外,其反应过程不产生气体,无爆炸危险,也不会有短路的问题。



04

寿命长。比锂电池的循环充放电次数高13倍。深放电循环性能强,过放电后再充电,容量很容易恢复,而且超深度放电不引起电池的不可逆损伤,通常循环次数大于16000 次,寿命可达 15-20 年



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有鉴于此,它的主要应用场景是大型储能系统中,大致有以下几个方面——


1

风力发电。风机的离网发电所需蓄电池完全可以由液流电池代替。



2

光伏发电储能及各种供电设备。将大型的钒电池与光伏太阳能电池组合应用,实现有效地能源转化和存储。



3

电动汽车。因其充电能力强,可深度放电,且更换方便快捷,有望成为电动汽车的供能设备。



4

通讯基站。通讯基站和通讯机房需要蓄电池作为后备电源,且时间通常不能少于10h




5

电网调峰。目前电网调峰的主要手段是抽水储能电站,由于抽水储能电站受地理条件限制,维护成本高,而钒电池储能电站选址自由,维护成本低。




说了那么多,那为何全钒液流电池还未能成为解决风电、光伏储能的perfect choice




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当前,全钒液流电池的储能成本还是相对较高的。这给大规模应用带来了困难。而且全钒液流电池还存在电解液、离子交换膜等关键材料的制约。



国际进口膜价格较贵,普遍售价为800美元左右/平米。根据业内实测经验,由加拿大生产的Daramic, CMV and AMV,化学稳定性较差;由美国生产的Nafion and New Selemion,化学稳定性好, 但钒离子渗透严重。


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。解决其钒离子渗透问题,研发一款价格低高导电性的液流电池用离子交换膜,成为了全钒液流电池成功向市场普及的关键点




在此背景下,BICI,研发“全钒液流电池(VRFB)用离子交换膜”,实现低成本、高电导率、钒离子透过性且各项性能指标满足VRFB的要求。预计制备成本将不高于160元/平米(人民币),远低于同行竞争对手,且性能优异

目前,在国家自然科学基金及北京市自然科学基金资助下,BICI的研发团队采用“辐射接枝技术”和溶液流延法相结合,合成了一系列新型的离子交换膜,建立了一条创新性的制备路线


其研究成果申请美国中国发明专利4 项,在World Polymer Congress等会议上应邀报告8次,并在Journal of Membrane Science IF5.06), Journal of Power Source (IF 6.22) 等刊物上发表20多篇重要影响的学术论文。


2009年“钒液流电池离子交换膜辐射合成的论文获“中国核学会2009 年学术年会(千人大会)优秀论文”一等奖2013年获北京市科学技术奖三等奖





前文提及的“辐射接枝技术”,与传统化学法相比,具有以下优势:


传统化学方法

需要通过引发剂高温引发,在基材选择上受限;增加了杂质,需要后续处理,增加成本。

辐射接枝法

可对任意基材激活,基材选择宽泛,材料成本低;没有引发剂残留,工艺简单、效率高;可以常温接枝,接枝单体分布均匀;电导率可控、钒离子透过性


流程如图:



被称为“完美电池”的全钒液流电池,未来在中国市场的容量约为1.6万亿,其中离子交换膜约为3200亿




BICI具有自主知识产权的“全钒液流电池用离子交换膜”,不仅可应用于智能电网、风能、太阳能等,需要频繁充、放电切换的大规模储能领域,还可用于国家重要部门如政府、医院、机场、军事指挥系统等备用电站,在非常时期保证稳定及时的电力供应。



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研发机构:BICI材料学部

联系人:李朝顺

联系方式:lics@bici.org




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