【液流电池论文赏析】中科院大连化物所李先锋Engineering:固定式大规模储能的液流电池

文摘   2024-11-23 07:41   湖北  
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论文赏析

第一作者:尹彦斌

通讯作者:李先锋

通讯单位:中科院大连化学物理研究所

成果简介
钒液流电池最早由Skyllas-Kazacos及其同事于1985年提出。近年来,钒液流电池电极、电解、膜和双极板取得了显著进展。已经建立了数值模拟方法来研究电堆几何形状、电流密度的均匀性、质量传输、钒离子交叉、流场等。此外,机器学习算法已被成功引入,以协助流场设计、成本预测和性能优化。钒液流电池现已被越来越多的科学家和企业家视为一种有前景的储能解决方案。在钒流电池成功的刺激下,对各种其他液流电池系统(如锌-铁液流电池、锌-溴液流电池,锌-镍单液流电池和有机液流电池)的研究正在蓬勃发展,并取得了显著的进展。液流电池在可再生能源发电中的大规模应用将大大降低弃风和弃光率以及化石燃料的消耗,从而有助于减少碳排放。在气候变化、迫切的市场需求和强有力的政策支持的背景下,液流电池迎来大规模发展机遇

1 液流电池的观点

液流电池将在固定式储能市场发挥非常重要的作用在此,基于多年来在液流电池研究和应用方面的经验,中科院大连化学物理研究所李先锋研究员团队简要分享了对液流电池在能量密度、成本、安全和环境方面的发展看法(1)

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核心内容
1.能量密度

能量密度是指电池单位质量或单位体积释放的能量,即质量比能或体积比能。根据液流电池的惯例,能量密度是根据电解液的体积计算的,与便携式或动力电池的计算不同。与锂离子电池相比,液流电池的能量密度不具备优势。然而,由于液流电池在可靠性和稳定性方面具有明显且无可置疑的优势,能量密度不应成为液流电池的主要问题。此外,对于大规模固定储能技术,液流电池系统起着基础设施的作用,而不是作为便携式消耗品。此外,大型储能项目通常建在偏远郊区,意味着使用液流电池占用土地的成本并不高。优化液流电池的布局也可以有效地节省成本。因此,与动力电池相比,质量和体积比能量对固定储能的重要性较小。然而,更高的能量密度总是有利于节省空间,并将扩展电池的应用领域。基于电解液体积的能量密度可以作为一个指标,帮助开发更先进的液流电池系统。

为了提高液流电池的能量密度,应尝试新的成分或添加剂,以赋予高浓度电解液更好的物理和动力学性能。同时,必须进一步开发用于液流电池的新型氧化还原对,以提高浓度和更多的电子转移。此外,正常电池运行的能耗也不容忽视。与锂离子电池、铅酸电池和锌镍电池等其他类型的电池相比,液流电池在充放电过程中电解液通过电堆的流动是其重要特征,不可避免地会导致额外的能耗。为了降低电解液循环的能耗,可以设计一种低流体阻力和先进流动类型的电堆结构。此外,采用适当的操作模式是降低能耗的更重要的方法。

2.成本

产品成本是技术、商业模式和管理的综合指标,直接决定着价格和竞争力。例如,钒流电池的高安全性、高可靠性和超长寿命是无可争议的。根据计算,当工作电流密度达到200mA cm-2时,能量/功率为4小时的钒液流电池系统的成本可达223美元(kWh-1)左右,而电解液的电压效率和利用率分别保持在90%80%以上。如果成本大大降低,将开辟更广阔的市场。液流电池行业的健康竞争、技术进步和大规模生产确实可以部分降低成本。然而,占整个系统很大比例的钒电解液的成本并不受这些因素的控制。事实上,钒电解液是可回收和可再利用的,使得钒电池不同于其他储能系统。因此,钒电解液可以被视为一种金融资产,对冲钒液流电池的成本。钒液流电池电解液租赁是一种有前景的商业模式,可以大大减少投资,进一步降低运营成本。即使经过多年的使用,钒液流电池的电解液经过简单处理后也可以完全回收和再利用。电解液租赁解决方案在资金和技术方面都是可行的,值得推广。如果该模式成功,则可以尝试将其应用于其他液流电池系统。从市场的角度来看,液流电池的可接受成本应该与锂离子电池的成本相当,是液流电池开发商的最终目标。建立清晰合理的商业模式将激发液流电池供应链各环节的积极性,有助于液流电池的可持续发展。

近年来,在能源政策的鼓励下,大量资金涌入储能行业。由于液流电池在安全性和可靠性方面的显著优势,对液流电池的投资必然会增加。他们的上下游产业链应该迅速得到改善。原材料和零部件供应市场的竞争机制将迅速形成。毫无疑问,液流电池的成本将进一步降低,从而带来巨大的利润空间。对于投资者来说,现在是在液流电池领域进行资本布局的正确时机。适当使用资本可以吸引众多人才,引进先进设备,促进技术进步,提高市场竞争力,降低产品成本。在资本的推动下,下游液流电池产品将在短时间内成熟,促进整个行业的快速形成。合理引进和利用资金是降低成本、提高产品附加值、促进液流电池健康快速发展的关键。

3.安全

可再生能源需要一种非常安全可靠的储能解决方案,对未来的智能电网也非常重要。安全是任何先进的电化学储能技术的先决条件。主流液流电池通常使用水电解液,赋予了它们高度安全的共同特征。与其他各种现有的有机电解液储能技术相比,液流电池更安全、更可靠。对生产安全、生命安全和财产安全的日益关注正在激活液流电池,特别是钒液流电池在大容量储能技术领域的广阔市场空间。完善技术标准和检测/认证体系,加强对组件和系统运行状态的在线监测,推动建立技术安全标准和管理制度,加强安全管理,明确产业链各环节的安全责任主体,将进一步促进液流电池的安全运行,确保其持续、健康、快速发展。只要保持安全底线,液流电池的市场竞争力就会蓬勃发展,将促进前所未有的储能市场。

4.环境

液流电池具有很强的环保优势。以钒液流电池为例,通常采用水系电解液,在电解液的制备、使用和后处理过程中不会对环境造成负担。电解液在运行和储存过程中不会释放有害物质。然而,电池系统运行可能存在的风险源于电解液泄漏,不仅会损害电池系统,使性能迅速下降,还会造成钒资源的浪费和环境污染。但是,先进的液流电池系统制造技术、化学工业成熟的流体输送技术以及开发的检测/监测技术可以大大降低电解液泄漏和由此引发的事故的风险。重要的是,水液流电池具有非常低的爆炸和火灾风险,降低了电池系统中可燃物燃烧和有毒气体释放的可能性。此外,从结构角度来看,液流电池的组件是独立的,很容易相互分离。使用过后的液流电池的许多组件,包括高成本的电解液都是可回收的。与锂离子电池相比,液流电池的回收可能更简单,资源回收率可能更高,经济性可能更好。也就是说,使用过后的液流电池不是废物,而是一种资源。

近年来,世界各地实施了大量的液流电池示范项目,该领域取得了巨大的进步。然而,必须承认,目前的发展水平与大规模市场化之间仍存在差距。坚实的技术支持是液流电池投入市场并适应市场所需的基础。持续的技术进步和创新不仅是更好地满足市场需求的有效途径,也是为液流电池注入无限活力的有效途径。面对强劲的市场需求和高质量的标准,越来越多的研究机构和企业正在加大投资,以提高液流电池的效率、功率密度、能量密度和高低温稳定性。尽管已经取得了很大进展,但在液流电池的某些方面(例如电解液、电极/双极板、离子传导膜和电堆系统技术)仍需要加大努力。值得注意的是,降低液流电池系统的成本已成为近年来关注的焦点。迫切需要建立竞争性原材料供应体系,开发从原材料到液流电堆系统的高效标准化生产技术,有利于提高液流电池的质量和竞争力。事实上,钒液流电池比其他液流电池系统更成熟。即便如此,下一代液流电池技术仍需不断研发,以解决钒液流电池能量密度低、成本高的问题。在这些电池系统中,水锌基液流电池因其低成本、高能量密度、环保性和高安全性而有望拥有广阔的前景。
结论展望
中科院大连化学物理研究所李先锋研究员团队从能量密度、成本、安全性和环境四个方面分享了对流电池的看法。随着研发的深入,钒流电池的商业化将加快,很可能会促进其他液流电池系统的快速发展。固定式大规模电化学储能市场最终将选择液流电池技术。
文献信息

Yanbin Yin, Xianfeng LiThe Flow Battery for Stationary Large-Scale Energy Storage.2024,Engineering

https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.10.007


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