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储能领域的八种液流电池-凯发官方网站

发布时间:2023-11-18    作者:信宇人    浏览数:280

根据电化学反应中活性物质的不同,水系/混合液流电池又分为铁铬液流电池、全钒液流电池、锌基液流电池、铁基液流电池等。

液流电池主要利用正负极两侧溶液中活性物质氧化还原状态的改变来实现充放电。如下图所示,液流电池主要由电堆和两个电解液储罐构成。电解液储存在电堆外部的储液罐中,通过泵输送至电堆内部,在电极处进行氧化还原反应,反应后的活性物质随着电解液流回外部储罐。在阳极和阴极之间是隔膜,可选择性地允许支持电解质透过以保持电解质平衡。



图:液流电池示意图(来源:储能科学与技术)

1 铁铬液流电池

是最早被提出的液流电池技术,初期由美国能源部支持,由美国国家航空航天局(nasa)科学家进行研究。

2019年11月,由国家电投集团科学技术研究院有限公司(国家电投中央研究院)研发的首个31.25 kw铁铬液流电池电堆(“容和一号”)成功下线。2020年12月,建成了250mw/ 1.5mw•h液流电池光储示范项目。

铁铬液流电池在技术上仍存在一些问题,如:负极的析氢问题,降低了电池的能量效率;正负极电解液的互串交叉污染,会降低电池容量和效率,导致所用离子传导膜需要高选择性,而目前进口全氟磺酸膜的成本较高;铬氧化还原性差,电池的最佳工作温度较高等。

2 全钒液流电池

是目前商业化程度最高和技术成熟度最强的液流电池技术。1978年,意大利pellegri等人第1次在专利中提及全钒液流电池。全钒液流电池是目前技术成熟度最高的液流电池技术,具有能量效率高(>80%)、循环寿命长(>20000次循环)、功率密度高等特点,适用于大中型储能场景。然而,对于全钒液流电池来说,钒电解液成本约占据电池成本的60%,大大提高了初始投资门槛。




国外代表性企业:日本住友电气工业株式会社,北美uet、invinity(由redt和avalon合并),德国voltstorage公司、巴西largo公司(收购vionx energy);

国内代表性企业:北京普能世纪科技有限公司(兼并了国际知名的加拿大vrb集团)、大连融科储能技术发展有限公司、湖南省银峰新能源有限公司、乐山晟嘉电气股份有限公司、国家能源集团、陕西华银科技股份有限公司、上海电气集团、中国东方电气集团有限公司等全钒液流电池研发公司。

3 锌溴液流电池

最早由美国埃克森美孚公司(exxon mobil corporation)发明。电池正极采用br-/br2电对,负极采用zn2 /zn电对。正极充电时br-被氧化成br2单质,br2单质会与溶液中的相关物质结合,沉降在电解质溶液底部,因此锌溴液流电池是一种单沉积液流电池。锌溴液流电池是除全钒液流电池以外商业化较为成功的液流电池技术。在国外的应用方面,早期锌溴液流电池由于其优秀的模块化设计、低成本、高安全特性,被更多地应用在用户侧套利、提高供电稳定性方面,使用规模较小。近年来,可再生能源的快速发展使得锌溴液流电池在发电侧和电网侧开始被大规模应用。

具有代表性的公司有美国zbb公司、primus power公司,住友电工以及澳大利亚redflow公司等。

国内代表企业,技术和产品开发上主要以北京百能汇通科技有限责任公司、安徽美能储能系统有限公司、陕西华银、特变电工股份有限公司等公司为主。

相关文献提出锌溴液流电池的循环寿命可达6000次以上,能量效率可达70%。4h储能时长的锌溴液流电池系统的成本为2000~3000元/(kw•h)。

4 锌镍单液流电池

于2007年由防化研究所的程杰研究员、杨裕生院士开发,其同时结合锌镍二次电池与液流电池的优势。与锌溴单液流电池结构类似,锌镍单液流电池正负极采用同一种电解质,无需离子交换膜,结构简单。

在产业化方面,国内主要有超威集团、张家港智电芳华公司和大连化物所,国外的美国纽约城市大学和英国埃塞克斯大学分别在2009年和2016年进行了该技术的开发。

在应用方面,锌镍液流电池目前仍处于商业示范阶段。实验室阶段锌镍液流电池的综合性能较佳,也进行了初步的应用示范,但由于镍价快速上涨,锌镍单液流电池的价格竞争力快速减弱,技术的开发和部署处于较为停滞的阶段。在技术层面,锌枝晶与积累导致的电池短路以及寿命降低问题还需要进一步研究,锌镍单液流电池的正负极面积容量低且功率与容量不能完全解耦,以及电池正极需要高成本烧结镍才能保障较长寿命的问题有待解决。

目前,据相关厂商资料,锌镍单液流电池的循环寿命可达10000次以上,能量效率可达80%。锌镍单液流电池系统的成本约2600~3500元/(kw•h)。

5 锌铁液流电池

碱性锌铁液流电池于1981年被提出,之后有中性和酸性锌铁液流电池出现,但后两者未达到工程化应用的程度。碱性锌铁液流电池开路电压较高,搭配多孔膜和多孔电极后可以在较高的电流密度下长期循环;酸性锌铁液流电池充分利用了铁离子在酸性介质中溶解度高、电化学性能稳定的优势,但负极侧受ph影响较大;中性锌铁液流电池由于其无毒无害、环境温和逐渐受到关注,与多孔膜结合可有效降低电池成本。无论哪种锌铁液流电池,负极侧都存在锌枝晶和面容量有限的缺点,成为锌铁液流电池产业化必须考虑的问题。

在美国,锌铁液流电池的商业化应用开始较早,且在源网荷端均有应用案例,美国vizn公司为其中的代表性公司。在国内,重庆信合启越科技有限公司同长沙理工大学研发团队进行了锌铁液流电池的产业化工作,并设计出了相应样机,推进了相关器件的国产化工作,大连化物所同金尚新能源科技集团股份有限公司合作进行自主研发的10kw级碱性锌铁液流电池储能示范系统于2020年在金尚新能源科技股份有限公司厂区内投入运行。

在技术上,锌铁液流电池同其他沉积型电池和锌电池的问题一样,面临着锌枝晶与功率和容量不能完全解耦的问题,其负极面容量较低。同时,锌铁液流电池作为一种较新的液流电池,其离子传导膜等相关部件产业链不够成熟,也大大制约了其商业化推广和应用。

根据文献和相关厂家资料,锌铁液流电池的循环寿命可达15000次以上,能量效率可达80%。2018年vizn公司宣称其锌铁液流电池系统安装成本低于2300元/(kw•h),目前,锌铁液流电池的能量成本可达约2000元/(kw•h)。

6 锌空气液流电池

北京化工大学的潘军青教授在2009年提出了一种锌空气液流电池。该电池在充电过程中,正极发生氧析出反应,锌离子会在金属负极沉积为金属锌;在放电过程中,正极发生氧还原反应,负极上的锌溶解,以锌离子的状态保存到电解液中。

目前,对于锌空气液流电池的研发,加拿大zinc8公司和美国eos公司具有代表性。国内如北京化工大学、江苏沃泰丰能公司等也进行了相关的研究工作,但距离产业化还有一定距离。

在技术上,锌空气液流电池同其余大部分锌液流电池一样,也面临着锌枝晶的问题。同时,其还面临着电流密度低、氧析出氧还原双效催化剂开发不全面的问题。

目前,zinc8对外宣称其锌空气液流电池的循环寿命可达20000次以上,能量效率为65%,eos则宣称其产品循环寿命可达5000次,能量效率可达65%-75%。据zinc8凯发官方网站官网和eos公司最近签订的合同数据,其4h储能时长产品的成本分别约为2000、1100元/(kw•h)。

7 全铁液流电池

由hruska和savinell在1981年进行了描述。与钒相比,铁具有更高的实用性和更低的成本。全铁液流电池分为酸性和碱性体系,酸性全铁液流电池在商业开发上较为成熟。

目前,全铁液流电池的商业化公司为北美的ess公司,德国voltstorage公司除开发全钒液流电池外,也同相关大学合作开发全铁液流电池(其称铁盐电池,iron-salt battery),但未达到商业化应用阶段。

全铁液流电池的技术问题主要在于同铁铬液流电池类似的负极析氢反应以及需要抑制氢氧化铁沉淀的生成。这些问题会大大降低电池的运行效率,减小电池容量,同时有堵塞离子传导膜的风险。国内对于该体系液流电池的研究与商业化开发报道较少。

以上各种技术路线对比如下:



8 高性能锌基液流电池

此外,2022年7月6日,中科院金属研究所研究人员在深入理解碘氧化还原反应机制的基础上,提出了一种基于聚碘络合物的碘正极溶液,有效解锁了碘正极容量,实现了锌碘液流电池的高能长效循环运行。

改进后的锌碘液流电池放电容量显著提升了58%,在70%能量效率下稳定循环600圈,为开发高性能锌碘液流电池提供了新的途径。

结论

1、长期来看,全钒液流电池在储能方向会是锂电池的替代品。全钒液流电池为目前应用最广泛的液流电池技术,具备适合大规模储能、能源转换效率高、循环寿命长、充电便捷的优势。且电池系统功率和容量相互独立,适合大规模储能场景;同时全钒液流电池充放电性能好,能量转换效率高。

2、从下游应用场景看,液流电池发挥价值主要用于电网调峰、应急发电装置、电动车车用电源等领域。

3、国家政策层面,随着国家“双碳”目标确立,能源结构调整加快,新能源发电的装机量不断增加,与之相应的储能需求也日渐攀升。根据国家发改委、能源局《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,2025年我国新型储能装机规模将达到30gw以上,储能装机需求将快速增长。目前,很多地方政府都对新增的新能源发电项目做了配储比例的要求。相比于抽水蓄能,电化学储能电站建造周期短,而且没有地理条件限制,其渗透率逐渐提升。同时,政府也出台了一系列的政策,鼓励发展新型储能技术。2022年2月,国家发改委和国家能源局联合发布《“十四五”新型储能发展实施方案》,将百兆瓦级液流电池技术纳入“十四五”新型储能核心技术装备攻关重点方向之一。6月,两部门又联合发布《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》,明确了新型储能作为独立储能的市场地位。这些政策的出台对电化学储能产业具有重要促进作用。

 

来源:aee汽车技术平台、中国储能网

 

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