中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長(zhǎng)沙市人民政府、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長(zhǎng)沙）電池博覽會(huì)暨第二屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在長(zhǎng)沙圣爵菲斯大酒店召開(kāi)。此次大會(huì)主題是“新能源、新機(jī)遇、新高度”。
會(huì)議期間，組委會(huì)邀請(qǐng)了中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授劉素琴分享主題報(bào)告《液流電池的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與解決方案》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
劉素琴：尊敬的各位專(zhuān)家、同行，我今天想在這里分享一下液流電池的機(jī)遇、挑戰(zhàn)和它的一些解決方案。
我是來(lái)自于中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的劉素琴，我們首先想從市場(chǎng)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來(lái)看看液流電池儲(chǔ)能它的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。從2020年“雙碳”目標(biāo)提出以來(lái)，我覺(jué)得是給液流電池帶來(lái)一個(gè)很大的機(jī)遇，據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟給的數(shù)據(jù)，從2021年到2025年，液流電池儲(chǔ)能它裝機(jī)的規(guī)模，從0.2GW到2025年的1.7GW，如果我們按照裝機(jī)平均的時(shí)長(zhǎng)是4小時(shí)，裝機(jī)成本按照3塊錢(qián)每千瓦時(shí)來(lái)計(jì)算，對(duì)應(yīng)的新增投資是從2021年的24億元到2025年達(dá)到204億元。從這里看，每年是超過(guò)50%的增速發(fā)展，從這里看，液流儲(chǔ)能有比較可觀的發(fā)展，快速的發(fā)展。
從國(guó)內(nèi)液流電池裝機(jī)的進(jìn)展來(lái)看，這些數(shù)據(jù)實(shí)際上是比較保險(xiǎn)的數(shù)據(jù)，我們從遼寧大連，它已經(jīng)有100兆瓦，400兆瓦時(shí)開(kāi)始并網(wǎng)。除此之外，湖北襄陽(yáng)有100兆瓦和500兆瓦時(shí)的在采購(gòu)，中核匯能在前不久有1GWh的開(kāi)票，除此之外在新疆的吉木塞爾和伊犁分別有兩個(gè)250兆瓦和1GWh已經(jīng)開(kāi)工的報(bào)道。湖南省好像是在吉首市初步有一個(gè)100兆瓦和400兆瓦時(shí)完成簽約的情況。
從這里看，液流電池這塊儲(chǔ)能是有比較大的機(jī)遇，當(dāng)然液流這塊有不同的，剛剛賈老師講了硫鐵，后面張總會(huì)講他們?cè)阼F-鉻液流這塊的進(jìn)展。全釩液流電池作為液流電池當(dāng)中的代表，因?yàn)榫湍壳暗碾A段來(lái)說(shuō)，它在技術(shù)上是有它的先進(jìn)性在的，所以我們這里就舉了全釩液流電池指標(biāo)和鋰離子電池指標(biāo)去對(duì)比一下。為什么跟鋰離子電池對(duì)比？其實(shí)我覺(jué)得不應(yīng)該對(duì)比，一是他們儲(chǔ)能的容量來(lái)看，還有它的時(shí)長(zhǎng)來(lái)看，兩者是不同的市場(chǎng)，應(yīng)用市場(chǎng)是不一樣的，但是由于鋰離子電池的發(fā)展比全釩液流這塊要早，也是發(fā)展最快的，所以它首先已經(jīng)進(jìn)入到了儲(chǔ)能的市場(chǎng)。液流電池要進(jìn)到儲(chǔ)能市場(chǎng)，大家是不自覺(jué)的就拿它和鋰離子電池進(jìn)行一個(gè)對(duì)比，我們這里給出了兩者技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比，從這里看，鋰離子電池在能量密度和系統(tǒng)效率這塊比液流電池是有優(yōu)勢(shì)的，但是液流電池它循環(huán)壽命、安全性，還有深度的充放電能力，以及容量的可恢復(fù)性和電池的一致性等方面也是有它的優(yōu)勢(shì)在這里的。
講到能量密度這塊，其實(shí)對(duì)于儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，能量密度最能影響的實(shí)際上是它的占地面積，對(duì)于我們拿10兆瓦級(jí)別以上的液流電池儲(chǔ)能和鋰離子電池儲(chǔ)能他們的占地面積來(lái)進(jìn)行比較，我們可以看出前面兩個(gè)都是全釩液流的。后面的五個(gè)都是鋰離子電池的占地面積。從這里來(lái)看，實(shí)際上液流電池的儲(chǔ)能占地面積并不比鋰離子電池高，這是為什么？主要是由于液流電池有高的安全性，所以使得儲(chǔ)能系統(tǒng)可以采取更為緊密的排布方式，使得占地面積相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)比較小一點(diǎn)。尤其是從10兆瓦、40兆瓦時(shí)，每兆瓦時(shí)的占地面積是93平，到100兆瓦和400兆瓦時(shí)的時(shí)候，它每兆瓦時(shí)的占地面積是下降到了61平。對(duì)于鋰離子電池，它通常就是每個(gè)兆瓦時(shí)占地面積是在100平左右的樣子。
第二方面可能是大家比較關(guān)注的，他們的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，除了技術(shù)指標(biāo)就是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。從這里可以看到，鋰離子電池當(dāng)中我們以磷酸鐵鋰正極材料為例，進(jìn)行比較和全釩液流這塊。我們把他們的循環(huán)壽命和服役壽命，以及系統(tǒng)的效率和容量衰減一起考慮進(jìn)來(lái)，計(jì)算出來(lái)，對(duì)于鋰離子電池100兆瓦、400兆瓦時(shí)全系統(tǒng)的初始投資大概是1600元每千瓦時(shí)，而全釩液流電池是3600元每千瓦時(shí)。當(dāng)然這3600塊錢(qián)相對(duì)來(lái)說(shuō)也是給得比較高的，因?yàn)榍懊?GWh開(kāi)標(biāo)報(bào)的成本大概是3000塊錢(qián)每千瓦時(shí)的情況。從這里看，鋰離子電池在初始投資的成本是要比全釩液流電池低，一個(gè)只有64000萬(wàn)，液流電池就達(dá)到了144000萬(wàn)，由于兩者的使用壽命是不一樣的，并且兩者運(yùn)維的成本和過(guò)程當(dāng)中如果要換，我們都按照折算成25年的壽命來(lái)算，每度電的成本，兩者是接近的，鋰離子電池是0.72元，全釩液流是0.75元。全釩液流系統(tǒng)的殘值是比較高的，如果我們把系統(tǒng)殘值給算進(jìn)去之后，再去折算25年的度電成本，鋰離子電池可能還比全釩液流稍稍要高一點(diǎn)。從這里看，液流電池這塊它的儲(chǔ)能是有已經(jīng)大的機(jī)遇，當(dāng)然它還是有它的挑戰(zhàn)，尤其是初始的投資成本這塊，它有比較大的挑戰(zhàn)在這里。液流儲(chǔ)能要把握住這個(gè)機(jī)遇，我們還是有很多工作要做的。
首先是提質(zhì)和降成本是我們目前面臨的最大挑戰(zhàn)，提升液流電池的性能，我們要從它的關(guān)鍵材料入手，關(guān)鍵材料當(dāng)中通常說(shuō)電解液、電極和隔膜這三樣，電解液目前面臨的困難一個(gè)是高濃度的高穩(wěn)定性，尤其在1.5摩爾以上，或者它在比較高的溫度，比如接近50度的工作溫度下，它能夠保持長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。還有負(fù)極這塊，在比較低的溫度，比如說(shuō)負(fù)20度左右，或者負(fù)40度的情況下，要保持它的穩(wěn)定性，這是目前電解液這塊面臨的課題和挑戰(zhàn)。
解決方法主要是采用混酸，或者其他支持電解質(zhì)，有報(bào)道說(shuō)采用離子液體加其他的添加劑，有人做到了8摩爾每升的電解液，運(yùn)行的溫度在負(fù)40度到80度的條件下。報(bào)道出來(lái)至少給我們?nèi)C液流電池有這種可能性，除此之外也有很多作為添加劑，包括無(wú)機(jī)添加劑和有機(jī)添加劑去改善它的穩(wěn)定性和電解液的利用率，以及充放電的活性這塊，這是對(duì)于電解液的。對(duì)于電極，我們重點(diǎn)要關(guān)注釩離子電對(duì)的氧化還原活性，主要針對(duì)動(dòng)力學(xué)緩慢這塊，以及副反應(yīng)開(kāi)展一些工作。目前主要是通過(guò)在碳?xì)直砻孢M(jìn)行處理，以及在表面負(fù)載一些催化材料，或者將它和其他材料進(jìn)行復(fù)合，取得了比較好的結(jié)果，后面我會(huì)簡(jiǎn)單的說(shuō)一下。
除此之外就是隔膜了，隔膜目前是關(guān)鍵材料降成本最大的點(diǎn)，它的難點(diǎn)，全釩液流的隔膜，既要讓釩離子的遷移盡可能小，又希望它的質(zhì)子電導(dǎo)盡可能高。除此之外，我們還希望它有比較好的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的機(jī)械強(qiáng)度。改進(jìn)方法目前有很多，比如說(shuō)磺化的聚醚醚酮、多孔膜和改性隔膜。除此之外還有磺化的聚酰亞胺膜，和其他在強(qiáng)酸強(qiáng)堿下比較高穩(wěn)定的材料的混合膜。
我們自己針對(duì)這些關(guān)鍵材料的改性開(kāi)展了工作，在電解液添加劑這塊，我們嘗試采用丙烷磺酸吡啶嗡鹽，進(jìn)行了改性，也還是取得了比較可以的結(jié)果。這個(gè)是1.8摩爾，大約是這樣比較穩(wěn)定的。當(dāng)然我們還有其他的一些添加劑，最后我們是做了2.6摩爾每升，在50度下比較穩(wěn)定的電解液。除此之外，對(duì)于電極這塊，我們通過(guò)整個(gè)電池充放電過(guò)程當(dāng)中，分別研究它正極和負(fù)極的反應(yīng)活性，我們發(fā)現(xiàn)負(fù)極的反應(yīng)活性是整個(gè)電池的速度控制步驟，在這里我們同時(shí)分析了在負(fù)極這邊應(yīng)該是二價(jià)釩氧化成三價(jià)釩的步驟。針對(duì)這里我們?cè)O(shè)計(jì)了缺電子型的硼化鈦，作為它的催化劑，通過(guò)催化劑負(fù)載之后電極的電化學(xué)表征，我們推測(cè)了它當(dāng)中的催化反應(yīng)的機(jī)理，最后也組裝成電池，進(jìn)行性能的比較。（圖）從這里可以看到，如果沒(méi)有負(fù)載催化劑的電極，它是在200毫安每平方厘米的時(shí)候，它的能量效率和負(fù)載催化劑之后的，在300毫安每平方厘米的電流密度下的能量效率是相接近的。負(fù)極催化劑的開(kāi)發(fā)還是有效的提升了整個(gè)液流電池的性能。
除此之外，對(duì)于隔膜這塊我們也開(kāi)展了一些研究，主要是在2017年以前做的一些工作，通過(guò)磺化的聚酰亞胺膜的改性，把它的枝化側(cè)鏈化改性，提它的離子選擇性以及它的穩(wěn)定性和阻釩性能，同時(shí)保持機(jī)械穩(wěn)定性。除了關(guān)鍵材料之外，電堆這塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是液流框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是提升電堆性能很關(guān)鍵的點(diǎn)。我們?cè)谶@里也開(kāi)展了液流框的模擬和分析，實(shí)際上也申請(qǐng)了一系列的專(zhuān)利，在組裝過(guò)程我們也發(fā)現(xiàn)單電池的數(shù)量，以及碳?xì)值暮穸群蛪嚎s比等等因素都會(huì)對(duì)整個(gè)電堆的組裝性能有比較大的影響。
為了更好地把材料的性能給表征出來(lái)，以及系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，我們更好地去跟蹤SOC的精度，對(duì)于小的、單電池的設(shè)計(jì)也開(kāi)展了一系列工作。在這個(gè)基礎(chǔ)上，在2018年的時(shí)候，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的支持下，我們組裝了45千瓦的電堆，當(dāng)時(shí)是根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)指標(biāo)，是140毫安每平方厘米的電密下，它的能量效率是大于78%，這是2018年時(shí)的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在有很多性能會(huì)比這個(gè)高很多。從這里看，整個(gè)液流電池儲(chǔ)能是有很大的機(jī)遇，也面臨著挑戰(zhàn)，實(shí)際上我們作為學(xué)術(shù)界只能夠從提升它的性能方面做一些工作。對(duì)于怎么去降本，提升它的性能可以把電堆的成本有效地降下來(lái)一些，但是對(duì)于電解液這塊，有很多產(chǎn)業(yè)界的人在做這塊的工作，比如說(shuō)從釩礦到電解液的生產(chǎn)工藝，并且有很重要的一些，在商業(yè)上怎么去創(chuàng)新，有人提出說(shuō)通過(guò)租賃電解液等等方式，也可以使得整個(gè)儲(chǔ)能的成本降下來(lái)。
總之，成本的降低，尤其是初次投資成本的降低是目前全釩液流電池儲(chǔ)能面臨的最大挑戰(zhàn)。這是需要學(xué)界和工業(yè)界共同的努力，我相信通過(guò)這種努力能把全釩的液流電池儲(chǔ)能成本再進(jìn)一步的降低。在我2002年開(kāi)始進(jìn)到液流儲(chǔ)能的領(lǐng)域以來(lái)，開(kāi)展這項(xiàng)工作以來(lái)，陸續(xù)得到了很多企業(yè)的支持，最初是攀鋼研究院給我啟動(dòng)的項(xiàng)目，后面像德沃普等都給了我很大的支持，其他的我都列在這了，就不去一一致謝了，對(duì)這些企業(yè)表示衷心的感謝。
同時(shí)，我在這個(gè)領(lǐng)域堅(jiān)持20年，向課題組的老師和歷屆從事液流電池研究的同學(xué)們表示衷心的感謝，也感謝組委會(huì)給我這樣的機(jī)會(huì)來(lái)分享我對(duì)液流儲(chǔ)能粗淺的看法。
如果有不當(dāng)之處，歡迎大家批評(píng)指正，謝謝大家的聆聽(tīng)！
