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三好學(xué)生釩電池來了


 釩鈦磁鐵礦巖磨粉機HLM礦石立磨

釩鈦磁鐵礦巖磨粉機HLM礦石立磨

隨著科技的發(fā)展,太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源已經(jīng)成功應(yīng)用于發(fā)電設(shè)施,使得產(chǎn)能形式更加豐富。但是,這些可再生能源受天氣環(huán)境影響,具有間歇不連續(xù)、波動性較大等缺點,惡化了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和可靠性。因此,需要在可再生能源系統(tǒng)中配備儲能設(shè)備,將可再生能源電力轉(zhuǎn)換成可儲存的能源,然后以可控的方式部署到電網(wǎng)中,根據(jù)不斷變化的電網(wǎng)需求,對電力進行一致的、即時的供應(yīng)。儲能設(shè)備能夠提高可再生能源利用效率,實現(xiàn)對電能的“調(diào)峰填谷”,充分發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢。


目前,不同的儲能設(shè)備根據(jù)適用性要求,在各自的領(lǐng)域已得到應(yīng)用。中國科學(xué)院電工研究所研究員、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會副秘書長陳永翀認(rèn)為,“安全是電化學(xué)儲能首要因素,電化學(xué)儲能的規(guī)模發(fā)展需要‘三好學(xué)生’,未來具有‘高安全、低成本和易回收’特性的儲能專用電池將會獲得大規(guī)模應(yīng)用”。


釩電池以安全、超長循環(huán)次數(shù)、可回收等特性成為電化學(xué)儲能新風(fēng)向,其非凡的發(fā)展?jié)摿ξ速Y本市場的目光。

釩電池儲能系統(tǒng)(圖源:格瑞帕洛孚)


釩電池工作原理

釩電池由Skyllas-Kazacos等在1985年提出,結(jié)構(gòu)上主要由電解液、電極、選擇性質(zhì)子交換膜、雙極板和集流體組成,結(jié)構(gòu)示意圖見下圖。


釩電池結(jié)構(gòu)示意圖(圖源:羅麗娟等,《綜合能源服務(wù)用釩電池儲能》)


釩電池利用VO2+/VO2+、V2+/V3+兩對氧化還原電堆的釩離子溶液作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì),分別儲存在各自的電解液儲罐中。對電池進行充/放電時,電解液通過泵的作用,由外部儲液罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負(fù)極室,并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng),實現(xiàn)對電池的充/放電。


充電時,正負(fù)極電解液伴隨著外部電流進入電堆,釩離子價態(tài)發(fā)生改變(負(fù)極釩離子價態(tài)由三價轉(zhuǎn)變成二價,正極釩離子由四價轉(zhuǎn)變成五價),正負(fù)極之間的電勢差增大,外部電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來。


放電時,所儲存的化學(xué)能通過相反的反應(yīng)在電堆里轉(zhuǎn)換為電能釋放出來。儲能電量的多少取決于電解液的體積和濃度,電解液的濃度越高、體積越大,儲存的電能越多。放電所帶負(fù)載的大小由電堆功率決定,電堆功率越大,充電越多,放電所帶最大負(fù)載也越大。


釩電池特點

(1)配置靈活。釩電池設(shè)計靈活,功率和容量獨立設(shè)計。電池的輸出功率由電堆大小決定,增加單電池數(shù)量和有效面積,即可增加電堆功率;電池的容量大小由電解液的量決定,增加電解液的體積和濃度,即可增加電池容量;可根據(jù)各種應(yīng)用場所和領(lǐng)域的負(fù)載大小進行功率和容量的調(diào)節(jié)。

(2)循環(huán)壽命長。循環(huán)次數(shù)≥13000次以上,使用壽命可達20年以上。

(3)安全性高。系統(tǒng)在常溫下運行,無爆炸、起火等危險,備有防漏裝置,避免發(fā)生電解液泄漏。

(4)深充深放。系統(tǒng)深充深放不會對電池性能造成影響,系統(tǒng)放電深度(DOD)≥90%。在快速、大電流密度下充放電,不會對電池造成損傷。

(5)環(huán)境友好。電解液均為液體,能無限次循環(huán)使用,且電解液可回收利用,不會對環(huán)境造成污染;電堆材料中電極采用炭/石墨氈,雙極板大多采用石墨或碳材料,報廢后不會對環(huán)境造成污染。其他材料多為高分子材料,可回收利用。

但是,目前釩電池的發(fā)展還面臨著一些問題,如能量密度低,成本居高不下,行業(yè)仍處在示范到商業(yè)化的前期,供應(yīng)鏈不成熟,市場仍處在開發(fā)階段。

釩電池發(fā)展優(yōu)勢

(1)資源方面

釩具有天然的耐腐蝕性,能在堿、酸和鹽溶液中穩(wěn)定存在,其常伴生或共生存在于鈦磁鐵礦、磷礦、煤矸石、鋁土礦、油頁巖、閃鋅礦、玫瑰鉛礦和銅礦等60多種礦物中,極少以單一礦物存在。在這些礦物中,釩的含量一般低于2%。

美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù)顯示,截至2021年底,全球釩金屬儲量6300萬噸,其中釩礦金屬釩儲量(已認(rèn)定的釩資源中符合當(dāng)前采掘和生產(chǎn)要求的部分)約為2217萬噸。其中,中國釩礦儲量約950萬噸,占比39%,位居第一;2~4位的澳大利亞、俄羅斯和南非儲量占比分別為25%、21%和15%。

產(chǎn)量方面,2021年全球釩產(chǎn)量10.7萬金屬噸,中國產(chǎn)量為7.3萬噸,占比68%,資源可完全自給;俄羅斯、南非和巴西的產(chǎn)量占比分別為18%、8%和6%。

2021年全球探明釩資源分布情況(單位:萬噸)(圖源:魏甲明等,《全釩液流電池技術(shù)研究進展》)

(2)政策方面

2021年7月,國家發(fā)展與改革委員會和國家能源局發(fā)布《加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》,文件提出要堅持儲能技術(shù)多元化,實現(xiàn)液流電池等長時儲能技術(shù)進入商業(yè)化發(fā)展初期;2025年,實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)液流電池等長時儲能技術(shù)進入商業(yè)化發(fā)展初期。

2022年3月,國家發(fā)展與改革委員會、國家能源局印發(fā)《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》,文件中要求形成技術(shù)示范、加大液流電池等關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)力度,最終在2030年實現(xiàn)碳達峰和2060年的碳中和的雙碳政策目標(biāo)。

2022年6月,國家能源局發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求(2022年版)(征求意見稿)》,提出“中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池,不宜選用梯次利用動力電池”。該項政策,為釩電池的應(yīng)用打開了想象空間。

釩電池發(fā)展前景

國際權(quán)威咨詢機構(gòu)麥肯錫將儲能技術(shù)定位為影響未來世界發(fā)展的12項顛覆性技術(shù)之一。國際能源署(IEA)預(yù)計,到2050年全球儲能市場規(guī)模將達數(shù)萬億美元。釩電池儲能系統(tǒng)隨著新能源和儲能的大規(guī)模應(yīng)用而不斷發(fā)展和進步,市場潛力和市場份額進一步的提升。

研究機構(gòu)EVTank近日發(fā)布的《中國釩電池行業(yè)發(fā)展白皮書(2022年)》顯示,2022年國內(nèi)大量的釩電池儲能項目開工建設(shè),預(yù)計全年新增裝機量將達到0.6GW;2025年釩電池新增規(guī)模將達到2.3GW;2030年新增規(guī)模將達到4.5GW,屆時,釩電池儲能項目累計裝機量將達到24GW。

英國IDTechEx公司報告認(rèn)為,面向儲能市場的釩液流電池到2031年前后或?qū)⒃谘b機容量上超過鋰離子電池。

釩電池企業(yè)布局

在政策推動和技術(shù)進步雙重作用下,釩電池脫穎而出,成為近期市場資金競相追捧的“香餑餑”,多家上市公司早已布局,搶占未來賽道。

(1)攀鋼釩鈦

攀鋼釩鈦在2021年釩業(yè)務(wù)營收達45億元,占總營收1/3。同年,該公司收購“西昌釩制品”來擴大釩制品產(chǎn)能,并同大連博融簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議,謀劃布局釩電池產(chǎn)業(yè)鏈。雖然該公司很早就開始生產(chǎn)釩電池電解液,不過目前尚未涉足釩電池業(yè)務(wù)。

(2)中核鈦白

中核鈦白今年7月初發(fā)布公告稱,公司與偉力得簽署了《全釩液流電池儲能全產(chǎn)業(yè)鏈》戰(zhàn)略合作協(xié)議,雙方將出資設(shè)立甘肅澤通偉力得釩材料有限公司,共同推進釩礦資源的開發(fā)、釩電解液的制造及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的項目落地。合資公司將通過控制釩礦來源,以及應(yīng)用尖端技術(shù)將低品位的釩原料進行提取,從而降低釩電解液價格。

(3)龍佰集團

龍佰集團表示,旗下的電池材料研究所有進行釩電池相關(guān)的研究,不過未進入量產(chǎn)階段。目前,公司有一條產(chǎn)能800噸/年的廢酸提取五氧化二釩產(chǎn)線,此外,全資子公司龍佰四川礦冶有限公司擬25億元投資建設(shè)釩鈦鐵精礦堿性球團濕法工藝年產(chǎn)3萬噸V2O5創(chuàng)新示范工程。該項目的投資有利于公司充分利用攀枝花釩鈦磁鐵礦中的釩資源,提高資源綜合利用水平。同時,公司電池材料研究所正在進行釩電池技術(shù)研發(fā),儲備相關(guān)技術(shù),未來公司將根據(jù)釩電池市場情況,積極推動釩電池材料產(chǎn)業(yè)化。

(4)上海電氣

上海電氣釩電池業(yè)務(wù)已有10年基礎(chǔ),最早的研發(fā)團隊創(chuàng)立于2011年,相關(guān)產(chǎn)線于2020年建成。目前,其全釩液流電池儲能系列產(chǎn)品,已經(jīng)完成了從研發(fā)設(shè)計、平臺測試,到生產(chǎn)制造和規(guī)模化應(yīng)用的“三步走”。上海電氣方面表示,其目前有3GW的釩電池訂單在手,汕頭已建成的零碳園區(qū)儲能項目使用的即為公司生產(chǎn)的釩電池。并且,公司在釩電池相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域也具備一定競爭優(yōu)勢。

(5)河鋼股份

河鋼股份目前已擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的釩電解液用高純氧化釩、全釩液流電池電解液技術(shù),并建成1000噸/年高純釩產(chǎn)線、1000噸/年釩電解液產(chǎn)線,產(chǎn)品質(zhì)量得到國內(nèi)外頂級釩電池廠家的認(rèn)證,并應(yīng)用于部分光伏—釩儲能系統(tǒng)。

(6)海德股份

今年4月份,海德股份與中釩儲能和中國科技簽署《全釩液流儲能電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)合作協(xié)議》,擬共同出資設(shè)立全釩液流儲能電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)公司,推進釩電解液生產(chǎn)、全釩液儲能電站建設(shè)等全釩液流儲能電池產(chǎn)業(yè)項目開發(fā)。


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