液流电池大规模商业化的挑战与策略


来 源: 中和储能 作 者: 罗旋 发表在: 资讯 发表时间: 2022-09-06 09:51:44

        液流电池作为一种比较成熟的新型储能技术受到了广泛的关注,拥有安全性高、循环寿命长等特点,并且可以与间歇性可再生能源相配合。目前,主流的液流电池可以根据电解液体系的不同划分为全钒液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池等技术路线。
就目前国内的液流电池发展而言,全钒液流电池发展得最为突出,商业化程度最高,装机规模也最大,国内从事全钒液流电池的企业和产业配套都趋于成熟,逐渐进入了商业化初期的进程,并且发展迅猛。相较于锂资源,我国钒矿资源较为充足,不会出现短缺现象。
铁铬液流电池则主要受限于其阴极严重的析氢反应,并且铬离子活性较差,须配合催化剂使用。虽然其原材料廉价易得,但其电池效率和整体功率密度难以稳定,因此主要还在工程化示范阶段,其发展也远落后于全钒液流电池。另外铬的供应海外依存度接近100%,这是一个潜在的风险。
锌溴、锌铁液流电池在国内发展进度稍逊于国外,它们具有较高的能量密度以及较低的材料成本等特性,但锌基液流电池在长循环过程中,电解液中的锌离子容易扩散至电极表面的凸起处,形成锌枝晶,锌枝晶的不断生长会刺破隔膜,最终导致电池短路失效。因此,锌基液流电池必须解决锌枝晶形成和生长的问题,才能实现真正的应用。其后续商业化前景广阔,但目前国内的技术路线和产业链尚不成熟,处于初期阶段,还需要不断创新发展才能实现大规模应用。


截至2020年底,全球正在运行的储能项目累计装机容量达到191.1吉瓦,其中抽水蓄能累计装机容量最大,占比90.3%。同时,电化学储能的装机容量紧随其后,占比7.5%,包括锂离子电池、铅酸电池、钠硫电池和液流电池等。不久前,国家发改委、国家能源局印发的《'十四五'新型储能发展实施方案》也明确提出要大力开展钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、液流电池等关键核心技术、装备和集成优化设计研究。国家能源局还在《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)》中,明确了对新兴电化学储能技术的安全性提出了具体要求,明确将三元锂离子电池、钠硫电池从中大型电化学储能可选方案中剔除。
液流电池在工程化和商业化上还存在一定挑战,目前液流电池的示范项目数量偏少,基本以MW级别为主,混合型示范居多,结合铁锂、三元等锂离子电池混合应用与考察,全液流电池独立示范项目偏少。截至2021年底,中国液流电池累计装机量规模约合200MW,占储能累计装机量比例约为0.4%,但其装机量正在飞速提升。据有关机构测算,以2025年电化学储能累计30GW计算,随着钒电池商业化推广的加速,预计2025年全钒液流电池新增装机可达1.7GW,新增渗透率达20%;同时到2025年钒电池累计装机可达4.3GW,累计渗透率达14%。全钒液流电池累计装机2020-2025年CAGR达112%,钒液流电池市场前景广阔。


目前,对于钒液流电池储能来说高成本是阻碍其商业化的最大因素。我国全钒液流电池初装成本虽低于国际水平,但与铅蓄、锂离子电池相比依然处于较高水平,铅蓄和锂离子电池受快速发展带来的规模效应影响,近年成本下降较快,导致其增量远多于液流电池。目前,全钒液流电池储能系统的EPC成本约在3-4元/Wh,为锂电池系统的两倍左右。虽然根据相关测算,预计在2030年可以将成本下降一半,但仍会高于市面上其它较有竞争力的电池体系。

全钒液流电池系统成本受关键材料、电堆结构、操作条件等多因素的影响。钒电池储能系统中,成本占比最大的为钒电解液,占总成本的40%左右,电堆成本达到35%以上,其它占25%左右。我们在之前的文章中对全钒液流电池的降本路径做了一定分析,主要集中在一方面提高材料的化学循环稳定性,使得材料在液流电池中能够拥有更长的使用寿命,从而降低系统整体成本;另一方面降低使用材料的成本,将液流电池中成本占比最高的电解液以及电堆的生产成本降低,从而降低钒电池整体成本;此外,也包括提高系统整体性能,实现在输出功率不变的情况下,降低电堆尺寸,从而降低材料用量。
而对于液流电池储能系统来说,还有一些实际应用上的问题需要继续优化。比如说,电解质溶解度低会导致能量密度低,电极的孔隙率会影响电池的极化和能量效率。此外,流场结构的设计会增加传质阻力,膜选择性可能会导致离子交叉渗透和电解质失衡。然后,建模精度问题导致对性能参数的估计不准确,从而导致电池性能下降;堆叠布局导致传输延迟和浓度极化。上述问题都可能制约全钒液流系统的快速推广。
在工程上可能会影响电池性能的问题包括组件的电化学退化、电解液泄漏和关键组件的机械故障等。在全钒液流电池运行过程中存在电解液分布不均、流动死区、钒离子扩散、析氢氧副反应、电解液失衡、容量衰减、自放电、传质阻塞、局部极化等现象,从而导致电池效率下降,影响电池的整体性能。这些问题需要通过流场设计、流量优化、堆栈优化、降低能耗等运行优化策略来解决,使全钒液流电池系统运行在最优状态。因此,通过优化电池运行以提高整体电池性能并降低关键部件的成本,可以进一步推动钒电池的广泛商业化。在此背景下,全钒液流电池系统的结构设计和运行优化是提高电池性能的一种重要方法,通常不需要巨大的改进成本,因此运行参数的优化在电池系统的工业应用中具有重要意义。
虽然全钒液流电池具有能量密度低、操作复杂等问题,但优点也非常突出:不易燃安全风险低,使用寿命长且电解质可回收,电池容量可灵活扩展适宜于将来增加放电时长的需求,可在不损坏电池的情况下实现 100% 放电等。因此,全钒液流电池非常适用于中大规模储能应用,特别是在光伏、风能等新能源领域。其成败就在于是否能集全行业之力通过以下几个途径来降低初装成本:
  1. 研发生产成本更低的替代性材料;
  2. 分工细作,通过标准化和规模化生产来降低各部件的加工成本;
  3. 优化部件设计、工程建设、及系统运行参数,实现更高的系统效率。

往期更多内容:

全钒液流电池的成本结构分析以及提效降本路线

液流电池用双极板的类型与改进方向

全钒液流电池材料行业深度报告

液流电池流道设计类型对系统性能的影响

国家能源局:三元锂电池、钠硫电池不得用于中大型储能