钒液流电池发展现状及未来需求预测.docx

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1、机液流电池发展现状及未来需求预测关键字：全车凡氧化还原；液流电池；发展现状；未来需求目录刖三11 .读懂全钮液流电池21.1. 1.结构与工作原理31.2. 电解液41.3. 电极51.4. 离子交换膜62 .钢氧化还原流电池(VRFB)技术正在全球范围内分布图及数量93 .全钢氧化还原液流电池项目介绍94 .大规模储能技术要求135 .铀电池技术优势146 .钢电池现状及未来需求157 .英国Invinity公司计划部署2.8MW/8.4MWh机液流电池储能系统17刖百风能、太阳能等可再生清洁能源在本世纪以来已得到长足发展。目前全球风电总装机约743GW , 2020年全球新增风电装机93G

2、W,同比增长53%,据测算，未来五年将有469GW新增风电装机。要想在本世纪中叶实现碳中和目标，在2030年后，风电发展将需要进一步提速，每年新增需要达到280GW。美国能源信息管理局(EIA)预测：到2050年，可再生能源将占全球发电量的49% o 2020年中国风电、太阳能累计发电量7270亿千瓦时，风电、太阳能累计发电量占全部发电量的比重为9.5%。到2030年，我国风能、太阳能发电装机规模从现在的5亿千瓦增加到16亿千瓦，新增11亿千瓦。由于风能、太阳能等可再生能源存在供应间歇性问题，可以储存过剩的能源并在需求大于供应时提供能源的储能系统成为了解决这一问题的关键。因此，新能源+新型储能

3、是实现双碳目标的主要途径，其中，储能是关键核心技术。01990historyprojection4035wind30hydro252015105201020002020203020402050图1绿色能源发展需求all otherfuelsWorld net electricity generation, IEO2019 Reference case (1990-2050)trillion kilowatthours451 .读懂全钢液流电池最近，全车凡液流电池似乎在网上在又火了一阵，尤其是国内在宣传在全车凡液流电池领域技术领先，吸引了不少人的目光。不过，跟锂离子电池和燃料电池相比，大众对这个

4、家伙还是很陌生的。下面我们新能源学习小组就给大家叨叨它是个啥玩意。首先，我们要解决什么是液流电池。所谓液流电池，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。我们通常了解的蓄甩池是有阴极阳极，活性物质被包容其中。而液流甩池的活性物质以液态形式存在的，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图2全车凡液流电池大致原理示意图。Concept of a Redox Flow Battery-L上I -v- , 一 J1 - 二-纪k 一 二Pump

5、IZpower source or load ）Pump图2全钮液流电池大致原理示意图从这个介绍，你或许就能明白我们日常生活中好像见不到全钗液流电池：一方面技术上不太成熟，另一方面不适用于普通3C产品供能设备。那它用在何处呢?不着急，我们先了解全钮液流电池再说！1.1. 结构与工作原理专凡电池结构与简单工作原理主要如错误!未找到引用源。所示。其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。其中电极材料和离子交换膜是两个最重要的部分。工作时，正负两极的电解液罐分别含有V5+、V4+、V3+、V2+的水溶液。外接泵将

6、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。图3钢电池结构原理图1.2. 电解液全钮，顾名思义，其电解液均为含有钮离子的溶液。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。物理溶液法：主要将高纯V0S04溶解于H2s中。在早期的电解液制备研究中主要利用这种方法，但V0S04价格昂贵，不利于大规模使用。化学还原法：是利用还原剂和高价的钢氧化物或钢酸盐发生氧化还原反应来制备电解液。该方法操作简单，反应速率快，制备时间短。但固体难于溶液，不能完全反应。电解法广泛使用于规模化生产，主要利用加直流电流的

7、方法让V2O5发生氧化还原反应。该方法操作简单，获得电解液纯度高，是大规模制备高钢离子电解液的主要途径。常规的溶液硫酸常与钮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。第19页共19页1.3.电极电极材料是车凡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。金属材料导电性好，机械强度高，最开始受研究者们的关注，主要包括金、的、钿、铅、钛及氧化钺等。但其成本偏高且易钝化，不适于大规模生产，故而碳材料越来越成为研究的重点。碳 素类电极材料主要包括石墨、石墨毡、玻碳、碳布和碳纸。同时，电极材料另一个研究

8、重点是将石墨毡与塑料电极板形成的一体化复合电极。自1989年以来进行的对电极材料的研究如图4所示。1989199119921993199519982001200420052006200720082009OFOFSurface treatment Surface treatment(tfwrmal. acid) (otoctrochocnical)CFSurface treatment(thermal, ackl)Surface treatment(electrochemical)Surface treatment(electrochemical)CFmodifiedby Metal ionmo

9、difiedby kidiumCFmodifiedby Prussian blueCFmodified岫 Surface treutnwnt(eleclrochotnicAOGraphite fCPTransition metal Surface tfCJtmenicompositeCarbon-polymorcompositeCarbon-polymercompositeCarboa-polyvnercompositeGraphite / CNTcompositeCacbonpotymercompositeCarbon-polymer Cartxm-polymercompos ito com

10、posite2010201120122013GF.Gf/Ftmm110t orcwo.ST: -Ea cM)MBWk 0Q kwMRry f MhMlorq-C#f 5 CF4_Cf/VWCMTCFWCMT，曲 .CF.3WCMT|Co XQNocrmo.-Graphem eMe cGO c-n.683tfWCMO* O-OO oOOHoopedUfl 物o外业47 CMtaCFIWO/44 cmC. 3，X. CP: Cfton “X， CNT： Carbon nanocube% 03A: 0WnnUoMy 皿Me no(M SWCHT Sng4*M crbon runofubet GF:

11、GopMe fell CF: Jften Mt CHF: Carbon ndnoftbert GO: Gcaphecw oiMe MWCNT: MuM - W3M carbon nancXutes图4钮电池电极材料的研究历史进展 .4.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，且车凡离子渗透率和透水率较高通过全氨乙烯接枝可适当提高其性能。非含氟膜上，如磺化聚芳酸酮，其钢离子透过率较低，故组成的电池可实现较高的库伦效率和能量效率。介绍完车凡电池的基本单元之后，我们再来看看它与其

12、他蓄电池相比的“神通”之处在哪！首先，车凡电池的功能非常灵活，功率和容量可以独立设计。输出功率取决于电堆，可通过改变单电池数量或电极的表面积来调节。而容量主要取决于车凡离子的量，可通过调节电解液的体积和车凡离子浓度实现。其次，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。第三，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H2等气体，无爆炸危险，也不会有短路的问题。第四，寿命长。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

13、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。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。将大型的钮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。如图5的系统整体运作图所示。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。不过，鉴于锂离子电池的成熟体系，钢电池要有所作为还是有难度。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10ho5）电网调峰。目前电网调峰的主要手段是抽水储能电站

14、，由于抽水储能电站受地理条件限制，维护成本高，而钢电池储能电站选址自由，维护成本低。说了那么多，是不是觉得全钢液流电池是解决风电、光伏储能perfectchoice?这话说得太早。在储能系统应用上，全钮液流电池不是目前唯一的发展方向。我们看看它跟竞争对手的各项指标对比（数据来源于：蒋凯等.“几类面向电网的储能电池介绍电力系统自动化37.1（2013）： 47-53.）表1不同储能技术参数比较 I不同便标技术参敦比较laMr 1 Paramc cmpariwm 痴 differrnt uxtrj 7M5(rvhnoln;icH舱成本脑能我术或外样或?；tt/(MW IojA*/mw我率掰寿。/周删功率成冬/（关