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【新刊速览】刘涛：全钒液流电池关键技术进展与发展趋势

时间：2023-04-22 来源： 浏览：

【新刊速览】刘涛：全钒液流电池关键技术进展与发展趋势

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全钒液流电池关键技术进展与发展趋势
刘涛 1,2,3,4 ，葛灵 1,2,3,4 ， 张一敏 1,2,3,4
(1. 武汉科技大学资源与环境工程学院， 湖北 武汉 430081；2. 武汉科技大学国家环境保护矿冶资源利用与污染控制重点实验室， 湖北 武汉 430081；3. 湖北省页岩钒资源高效清洁利用工程技术研究中心， 湖北 武汉 430081；4. 钒资源高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430081)

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摘 要  

能源自古以来就是社会赖以生存、发展的基础，面对全球化石资源消耗所引起的自然环境和天气恶化，全世界开展了低碳战略部署，着力推动可再生绿色能源的持续利用。全钒液流电池储能系统可以解决绿色能源(风能、水能和太阳能等)波动性强、不连续和受环境、天气限制的难题。电解液与电堆是钒电池系统的重要组成部分，两者决定了钒电池容量、功率和稳定性等性能，同时也是钒电池产业成本主要支出口。介绍了国内外钒电池电解液、电堆近年的研究进展、关键技术和商业化应用，讨论了全钒液流电池的发展潜力与后续方向。

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关 键 词  

储能； 全钒液流电池； 电解液； 电堆； 商业化应用

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引 言 

面对不可再生资源的逐渐衰减和全球环境的日益变化，为了世界的可持续发展与人类的美好未来，各国针对资源与环境提出了新的政策与战略。2019年，欧盟发布《欧洲绿色新政》，旨在实现“碳中和”，其在世界范围内展现了实现“碳中和”的强力领跑意识和行动；2020年，日本为应对全球变暖，将实现绿色转型作为拉动经济持续复苏的新增长点，推出《绿色增长战略》；2021年，中国与美国签署《中美应对气候危机联合声明》，联手应对气候变化，制定“碳中和”、温室气体净零排放等长期战略，通过循环经济、储能和电网可靠性等政策、措施与技术，创造共同利益；2021年，中国把“碳达峰”“碳中和”纳入生态文明建设整体布局，发布了《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》。
针对全球的发展趋势与战略部署，科研人员重点研发高效利用可再生能源，逐步取代高碳排放的传统能源。但是，可再生能源具有波动性、间歇性，受地域环境天气影响较大，使得其不能被完全利用，存在效率低、实际应用效果不理想等问题，因此需要与储能系统配合应用。储能系统和绿色能源，如扬水储能、锂离子电池、铅酸电池和液流电池等，在偏远地区和特殊环境已有几十年的应用经验。为了更科学合理地利用能源、应对环境天气等不确定因素、高效利用自然地理条件下的能源(太阳能、风能、水能等)，目前已发展出多元、大规模、联合储能模式，例如在大型并网储能应用中的扬水储能、压缩空气储能和氧化还原液流电池储能等。
与其他储能技术相比，氧化还原液流电池储能具有明显的优点：(1)容量、功率灵活可控，调整操作简单。液流电池一般外置储液罐，将电堆与电解液分隔开来，其容量可以通过电解液的储量和浓度调控，其功率取决于电堆的大小和连接数量。(2)液流电池的活性物质一般存在于电解液中，活性物质在液相中完成价态的转化，没有常见的固相转变与形貌变化，利于延长循环寿命、保持能量、降低损失。(3)液流电池具有可深度放电的特性，其应用广泛，系统封闭，运行无污染，且废旧液流电池的材料易于回收、处理，方便进行再生和其他资源的提取与利用。
全钒氧化还原液流电池(又称全钒液流电池)具备以上液流电池的所有优势。由于中国具有钒资源矿产优势，近年来钒电池相关研究在中国发展迅速，已开始实现商业化应用。本文介绍了近年来国内外钒电池电解液和电堆的研究进展，并在此基础上对钒电池实际应用的前景和趋势进行分析。

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精 选 图 表  

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结论 

国内外钒液流电池系统关键技术从科学研究到实际应用历经诸多阶段，包含钒电池电解液的制备、体系与适配添加剂的选择、钒电池电堆组成、电极与离子交换膜的技术升级。经过近年中国科研人员的不懈努力，中国钒电池技术与产业发展迅速，已经达到国际领先水平。大量研究与应用项目证明钒电池储能系统具有安全性、可靠性和广阔的发展前景。为了更好地提高国内钒电池储能系统的适用性、提升效率、减少占地面积，还可从以下几个方面开展创新工作。
(1)对电解液、电极、膜及双极板等配件材料进行开发与优化，创造高性能、低成本的关键材料。例如提高电解液浓度、运行温度及性能的稳定性；制备更薄、偏向三维结构、高活性的电极材料；提升国产膜的稳定性与离子选择性，推动国产膜的产业化应用等。
(2)除了优化关键材料，还需要进行钒电池结构、工作条件参数和管理系统的协调设置，制定系统、详细的相关行业标准，为钒电池产业发展提供更好的理论与技术指导，促进各研究团队对钒电池产业研发与管理的准确性和统一性。
(3)需要在国家战略的指导与支持下，深入推进产、学、研、用合作，结合研究单位、应用单位、设计单位、工程单位各自的优势，加快推进研究成果的转化、实施和应用，同时使已工业应用项目中发现的问题可以得到快速研究和解决。
(4)当前虽然正是大量钒电池项目建设与运行的高峰期，但是需要提前考虑和布局钒电池储能系统应用的一些后续问题，例如失衡、失效的电解液和电极的再生或者再利用等，以建立一个完整钒电池储能系统应用的循环路径或体系。

来源：《中国冶金》2023年第4期

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