(观察者网讯)据《中国科学报》报道,近日大连化物所储能技术研究部(DNL17)李先锋研究员团队开发出70千瓦级高功率密度全钒液流电池单体电堆。
该单体电堆体积功率密度由目前的70kW/m³提高至130kW/m³,在体积保持不变的条件下,功率由30千瓦提高至70千瓦,成本较目前的30千瓦级电堆降低40%,有望助推全钒液流电池的商业化进程。
据悉,李先锋团队采用自主开发的新一代高选择性可焊接多孔复合膜和可焊接高导电双极板,设计出短流程、超薄电池结构,并结合低流阻、高均匀分配流道结构,研制出70千瓦级电堆。
经测试,该电堆在70千瓦额定功率充放电条件下能量效率为81.0%;在60千瓦恒功率充放电条件下能量效率为82.1%。此外,该电堆连续稳定运行1200多个循环后,能量效率衰减率仅为1.7%。
报道指出,使用该电堆可将一个20尺(注:货柜尺寸,内部尺寸为长5.898米、宽2.352米、高2.385米)的250千瓦储能单元模块升级为500千瓦储能单元模块,不仅功率单元体积大幅减少,还降低了系统配套设施的成本。
图片来源:大连化物所
什么是全钒液流电池?
全钒液流电池是我国下一阶段新能源储能技术的重点发展方向之一。这种电池与我们常见的锂电池等电池不同,是一种以钒为活性物质呈循环流动液态的电池。其工作原理为使用外接泵把电解液压入电堆体内,在机械动力作用下电解液在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动、流过电极表面并发生电化学反应,随后双电极板收集和传导电流,从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。简单来说就是依靠电解液流动与电极发生电化学反应产能电能。
全钒液流电池结构 图片来源:开源证券
这样的结构意味着,全钒液流电池输出功率取决于电堆的大小。如果钒离子液流电池要增加输出功率,仅需增加电堆的数量;而如果要增加储能容量,仅需增加电解液的体积。
全钒液流电池安装灵活性很强 图片来源:开源证券
为什么要发展全钒液流电池?
全钒液流电池是长时储能技术(一般是指可以持续充放电4小时以上的储能技术)的重要一环。长时储能侧重于解决峰谷时期供需匹配等经济性问题,能够提升新能源消纳能力。众所周知,新能源发电模式取代传统发电模式最大的障碍当属其发电调峰能力弱,遇到发电能力和用电需求不匹配的情况时会导致电网不稳定。
风光发电等如遇到外部条件变化,会在短时间导致发电功率变化,造成包括:发电电压的变化范围过大、电压短时间中断、电网频率不稳定甚至发电机、变电站等硬件毁坏等严重后果。
某地不同天气光伏发电的秒-分钟变化 图片来源:国金证券
一般认为,以风光为代表的不稳定新能源发电需要按照10%~30%的比例配备储能设施。
近年来,多地已经发出文件强制要求新能源发电设施强制按照一定比例配属储能设施。
2021年1月11日,宁夏自治区发改委发布征求《关于加快促进自治区储能健康有序发展的指导意见(征求意见稿)》意见的函,强调“十四五”期间,储能设施按照容量不低于新能源装机的10%、连续储能时长2小时以上的原则逐年配置。
2月山东省印发了《2021年全省能源工作指导意见》,强调新能源场站原则上配置不低于10%储能设施,并在之后发布了《关于开展储能示范应用的实施意见》。
2021年5月,国家能源局发布《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》,提出在确保安全前提下,鼓励有条件的户用光伏项目配备储能。
之后多地就强制储能设施推进都发布了相关规定。包括但不限于江苏昆山市、浙江诸暨市、浙江金华、江苏苏州市、山东枣庄市、河北、河南等多省市自治区,都发布了分布式光伏配储相关文件,配储要求在装机容量的8%~30%之间。
常见的长时储能技术包括:电化学储能、重力储能、氢能储能等多种。而全钒液流电池作为电化学储能的一种,虽然其能量密度明显低于锂电池、钠电池等电池,但是全钒液流电池相比于其他主流电池也有安全性高、寿命长、效率高、环境友好等特点。并且由于其结构简单、钒电池安装灵活、建设周期短,所以是大规模储能的首选技术之一。
几种电化学储能技术对比 图片来源:国信证券
此外,在2022年,国家能源局在《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)》中出于安全考虑,提出中大型电化学储能电站禁用三元锂电池和钠硫电池,这也进一步刺激了全钒液流电池的发展。
全钒液流电池全面商用难点在哪?
目前发展全钒液流电池主要有如下问题:1)电池合适的工作温区在5~40℃,相对较窄;2)能量密度低,体积较大;3)初始投资额高,根据国信证券报告,钒电池系统初始投资成本在2.1~7.5元/Wh,显著高于磷酸铁锂电池(1.0~1.5元/Wh)。但根据银河证券报告显示,目前全钒液流电池初始单千瓦投资已经达到约3000元,度电成本约0.68元,已接近锂离子电池储能。国网新疆研究院预计2030/2060年每千瓦投资降至2100元/1680元,度电成本降至0.42元/0.36元。
由于全钒液流电池寿命长于锂电池,长期看,其全寿命成本可能会低于锂电池储能。
此次中科院化物所研制出的70千瓦级电堆,主要瞄准的是全钒液流电池的第二个商用难点。此前一般认为,全钒液流电池能量密度大约为15~50Wh/kg,远低于磷酸铁锂电池130~200Wh/kg和钠硫电池100~250Wh/kg的能量密度。
该团队通过将全钒液流电池中的单一电堆体积功率密度由目前的70kW/m³提高至130kW/m³,可以通过缩小同功率电池体积大小的方式,显著提升电池的整体能量密度。这样将极大有利于全钒液流电池尽可能缩小与锂电池等在能量密度上的差距,进一步提高未来全钒液流电池的适装性和适用性。
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