全钒液流电池工作原理(图)

风能、太阳能等清洁的可再生能源是大自然赐予人类的宝贵财富。它们除了可以让人类每天享受阳光沐浴、清风吹拂之外,利用其发电更是可望又可用的上上之策。但是太阳的昼出夜伏与风的飘忽不定导致利用它们发电时会遇到不连续和不稳定的问题,当人们急需用电的时候,阴雨无风的天气经常让人们感到力不从心。

这个时候,电化学储能技术横空出世,帮助人们真正有效地利用可再生能源。术如其名,电化学储能就是利用可逆的电化学反应来进行化学能和电能的相互转换。充电时,电池将电能转化为化学能储存起来,放电时再把化学能转化为电能释放出去。就像可以存钱和取钱的银行,钱(能量)多时我们就将其存起来,需用钱(能量)时我们就去银行(电池)将其取出来。因此,无论多么恶劣的外界环境,只要有电化学储能系统这个电力“银行”的存在,我们便可以随时随地的利用可再生能源所带来的能量。

电化学储能技术多种多样,例如现在最常见的手机、电脑和电动车所用的锂离子电池。但锂离子电池的安全性问题限制了其为诸如可再生能源发电的大规模储能服务。而液流电池(Flow battery,FB)凭借自己可以独立设计的功率和容量、灵活的设计、高的安全性,低的成本和环境友好等特点从电化学储能技术中脱颖而出,在大规模储能领域大展身手。

“液流”指的是电池所采用的电解液是液体并且循环流动,往复不息。这些电解液中所包含的电化学反应活性物质在电极上发生可逆的氧化还原反应,从而进行能量的储存和释放。因此我们将液流电池称为流动的电力“银行”。“银行”中的财富就是通过可再生能源产生的能量。

全钒液流电池(Vanadium flow battery,VFB)是目前最成熟的液流电池技术。它通过钒(V)离子价态的相互转换实现能量的存储和释放,其电解液中的活性物质为二价(V2+)、三价(V3+)、四价(V4+)和五价(V5+)钒离子。如图1所示,全钒液流电池主要由电极、隔膜和电解液储罐等构成。

全钒液流电池工作原理

当其在工作的时候,在循环泵的作用下,正负极电解液流经对应的电极,正极电解液中的V2+被氧化为V3+,负极电解液中的V5+被还原为V4+。同时电子沿外电路从阳极迁移到阴极,从而将储存于电池中的能量释放出来供用户使用。电池运行的整个过程都是在常温常压下运行,电解液为水溶液,且反应过程只涉及钒离子价态的变化,电解液可以循环再生,且没有有害物质的生成。因此,与常用的蓄电池和锂离子电池等相比,全钒液流电池是一种安全、环保、低成本的电化学储能技术。

全钒液流电池工作原理(图)

图1、全钒电池工作原理

我国对全钒液流电池储能系统的研究始于20世纪90年代,而全钒液流电池产业化进程一直走在世界前列。其中,中国科学院大连化学物理研究所/融科储能技术发展有限公司团队近年来取得了较多成绩。

该团队在张华民研究员带领下,于2000年开始从事全钒液流电池的研究开发,在关键材料的设计与制造技术,电堆的结构设计与制造技术和大规模液流储能系统设计方法及智能控制技术方面取得了系列技术突破。以此为基础,融科储能目前已完成近30项应用示范工程,在国内外率先实现了产业化,并于2012年实施了全球最大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统,且于2016年承建200MW/800MWh全钒液流电池储能调峰电站,如图2所示。这些示范工程的应用领域涉及分布式发电、智能微网、离网供电及可再生能源发电等。

此外,该团队还牵头国家及国际相关标准的制定。这些成果都标志着我国液流电池储能技术达到了国际领先水平。该团队的全钒液流电池技术荣获了包括国家技术发明二等奖、中国科学院杰出科技成就奖等多项奖励。

全钒液流电池工作原理(图)

图2、中国科学院大连化学物理研究所/融科储能全钒液流电池技术发展历程

国内全钒液流电池的发展如此迅速且成效卓然,主要是因为我国钒电池的发展具有以下优势:

一是政策优势。近年来,大规模储能技术受到了越来越高的重视,国家颁布了一系列的政策支持大规模储能技术的发展。例如2016年发布的国务院《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》将新一代信息技术、生物技术、空间信息智能感知、储能与分布式能源、高端材料、新能源汽车列为战略性新兴产业。同年国家发改委/国家能源局的《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》将“先进储能技术创新”作为15项重点任务之一。

二是资源优势。钒作为资源性物质,全球目前已知的资源储量大约6300万吨钒,中国钒储量高达世界总量的38%。

三是技术优势。从开始研究全钒液流电池开始,我国的研究者们在全钒液流电池关键材料和电堆的研究开发等方面开展大量的工作并取得了一系列进展,为推进全钒液流电池技术的产业化进程奠定了坚实基础。

谁掌握了能源优势,谁就处于世界领先地位。虽然全钒液流电池并不尽善尽美,例如其能量密度偏低等,但是经过不断的探索与研究开发,大规模高效全钒液流电池储能技术已经取得了突破性进展。而全钒液流电池对我们的影响也越来越大。伴随着全钒液流电池成本的进一步降低和技术的不断进步,其将有力地服务于国家及世界能源结构的变革。

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