我国研制“钒”尔赛电池!究竟是何来头?

【企宣易讯】

2001到2021年十年里,全球就爆发了至少34起储能电站爆发事件,其中32起就与锂电池相关。2021年前两季度,中国就出现了6462起电动车起火事故,80%都与锂电池爆炸相关。

种种的锂离子电池燃爆事故,使得公众的焦虑越发严重

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为了弥补锂离子电池的各种不足,同时也为了增加其他的各种能源电池以备不时之需,专家们开始研究各种新的电池材料,于是继三元电池、磷酸铁锂电池、氢燃料电池、钠离子电池后,“钒电池”出现了。

相比起来,钒电池的稳定性和续航都毫不逊色!未来是否会将锂电池取而代之?

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锂电池之外,新的钒电池

钒电池全称全钒氧化还原液流电池,一个非常拗口又很学术的名字。但其实理解起来也很简单,顾名思义就是以钒作为活性物质呈循环流动液态,进行氧化还原反应,再将化学能转化为电能的电池。

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而以其为名的钒正是这一电池的基础材料。钒是一种金属元素,被称为是“储能之神”,最初是作为氧化剂应用在煤矿行业、钢铁行业。直到后来人们发现钒的电子置换反应,便将其用到了储能电池之中。

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在国内,钒电池被认为是更年轻、且更具备未来希望的“电池后备军团”。尤其是相较于锂电池,钒电池还有着功率大、安全性高,且储能上限高的超级优点

因为钒电池内的活性物质是以循环流动液态的形式而存在的,所以可以使得正负两极的浓差极化可以降到最低。

最低意味着什么呢?不会出现温度极度升高,出现电池失热的情况。这就几乎从根本上规避了最危险的爆炸隐患。

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而且因为所有部件几乎都泡在电解液里,所以散热方便,还避免了自放电的消耗,不会出现电池放着也有损耗的情况。这一损耗的减少能帮助钒电池的能量转换效率提高,足能实现75%的转换率,能耐得住大电流的充电和放电,保证循环次数至少可以到13000次,使用寿命则可以达到15到20年。

更重要的是,钒电池能实现“瞬时即充”。因为电解液充满了整个电池组,所以运行过程中,仅需0.02秒就可以切换充放电状态,响应速度仅仅需要1毫秒。是真的“唰”一下就能搞定。

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也正是基于以上的诸多优点,钒电池被许多领域都寄予厚望,比如在电源、电网、基站等能源安全领域中,钒电池都将发挥重要作用。

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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应用要比国内更早一些。1984年,澳大利亚新南威尔士大学教授提出研发钒系电池。1986年获得专利。1994年,钒电池被率先用在了高尔夫车上,在小高尔夫车上试验过发现使用感确实不错之后,便一举升级成为了加拿大潜艇备用电源。

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就全球范围内而言,现在专业研究钒电池的企业与机构已经不再是最初的零星半点了。泰国的Cellennium公司致力于研发可持续、低成本的钒电池;

日本已经建立15座液流储能电池电站,其中住友电工已经建设起了商用的钒液流储能电池系统,掌握的生产和电池组件技术在全球都算是成熟的第一梯队成员。

更别说,日本除了住友电工外,还有着三菱化工、横滨大学钒电池隔膜商业研究所、Kashima- Kita电力等巨头企业。

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而中国呢?就纯粹的储能企业而言,中国有从事全钒液流电池储能系统从研发、生产、制造到配套的全流程企业“普能世纪”

最关键的是,普能世纪在2009年收购了加拿大的VRB Power公司,而VRB Power正是当年从澳大利亚新南威尔士大学手中购买了钒电池核心技术的加拿大能源公司。

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除了普能世纪以外,中国还有着中国科学院大连化学物理研究所、沈阳金属研究所、清华大学与承德万利通集团联合组成的液流电池研究中心、攀钢集团钒电池研究部、中国工程物理研究院电子工程研究所等专注研究钒电池系统的科研院所

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其中,大连化学物理研究所与西藏太阳能研究示范中心在西藏合作安装了“太阳能光伏发电—5kW/50kWh液流电池储电”的联合供电系统,运行也超级良好。沈阳金属研究所研制出的钒电池储能示范电站就安装在沈阳科学宫内,既为科学宫的照明提供动力,同时还向去参观的民众起到了普及和示范的作用。

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【2】中国为什么选择了钒电池?

正如国内许多新能源行业“大佬”所说,储能行业不会出现只有一种技术的一家独大局面,每一种技术都会因为其独有的优势而被应用在合适的领域。所以,既安全又经济的钒电池系统如今正是受到国家大力支持的情况中。

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2021年7月,国家发改委和能源局发布了《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,允许各类储能电池参与电力市场。

2022年6月,能源局又发布了《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)》表示:出于对安全性能的考虑,三元锂电池、钠硫电池,和梯队电池(指车用的磷酸铁锂动力锂电池容量衰减到80%以下后,转用于通信基站备用电源和储能的电池)不应该被使用在中大型的化学储能设备中。

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于是,这几个文件一经发布之后,钒电池就如黑马一般被众多企业所看好。尤其是不同于锂电池多用于电动汽车等常见领域,钒电池是用在储能行业比较多。而储能行业的核心考量是安全,成本与体积都不是第一位的,唯有安全才最重要。而寿命长、安全性能高的钒电池正好契合了储能电站的需求

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同时也十分关键的是,钒电池的研发和使用能帮助中国逆转在电池材料上大幅度依赖进口的情况。锂电池的原料顾名思义就是锂矿,而中国作为全球最大的锂消费国,自产率非常的低,且加上矿石的质量不属于优良,所以中国的锂电池一直使用的都是进口的锂矿石。

截止2022年10月,电池级碳酸锂的价格上涨到了53万元每吨,平均报价甚至还要高上0.15万元。这个价格较2021年上涨了足足有8倍之多。

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在这种情形下,钒电池的崛起是势不可挡的。

我国是钒资源的第一大消费国,也是第一大生产国。中国蕴含510万吨钒资源,占有量居全球第一,其中主要分布在四川攀枝花和河北常德地区。而这两个地区的钒资源也为攀钢集团和清华与承德万利通合建的液流电池研究中心营造了得天独厚的资源供给优势。

钒资源上的优势也能保证,在能源安全角度,矿产原料能主要掌握在我们国家自己手里

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【3】中国钒电池的前景如何?

一方面,许多观望者表示无论钒电池如何发展,锂电池毕竟还是如今使用的主流类型;另一方面,钒电池市场占有量并不大,产业还处在发展初期。在这种两相夹击的情况下,钒电池真的不是空谈,真的值得看好吗?

事实上,风口的兴起是悄无声息的。当所有人都意识到它是风口的时候,或许也是风要吹停了的时候了,中国就是正在抢占这个先机

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上游的原料供应企业中,国内有攀钢钒钛、河钢承钢、建龙特钢、川威集团和德胜钒钛五家大企业,尤其其中攀钢钒钛有着全球最大的钒钛磁铁矿;而生产企业中,“国”字头的国网英大和上海电气都是实力雄厚的上市公司,没有上市的北京普能和大连融科等都是实力与野心并存。

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除开在供应链上的问题外,技术方面的难点也被逐一攻克中。钒液流电池最难的技术制约包括电池离子交换膜、石墨毡电极材料、电解液以及电池组装等。

而目前,中国科学院宁波材料技术与工程研究所早在2015年就制备出了电导率、吸水率和稳定性较好的交换膜;

长沙理工大学同多家科研团队自主研发出了世界首款液流电池电极材料大尺度生长设备,并开发出了一种新型大尺寸石墨烯复合电极。

可以说,每一个关键技术难点都在被突破。

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或许会有人认为没有被大规模落地使用的钒电池难以成为未来的主流,但事实上,全钒液流电池项目已经在我国西藏、新疆、福建、辽宁等地区落地运行了。而且钒电池的大规模商业化也进入了起步阶段。

攀枝花建成了完整的全流程钒钛资源综合开发体系,大连物理化学研究所自主开发的全钒液流电池储能技术用在了我国第一个百兆瓦级全钒液流电池储能调峰电站……自2022年以来,中国已经有多个大型全钒液流电池项目启动了起来。

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虽然全钒液流电池依然存在密度低、投资成本高等问题,但我们相信的是,这些问题都如同其他技术难点一样,是能通过技术的革新和市场的优化所解决的。

在这种一切都欣欣向荣的发展状态下,全钒液流电池已经具备了成为储能主流技术的条件,万事俱备,东风渐起,与其说钒电池还处于未大面积商用的阶段,不如说这它爆发式应用的前夜!

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