液流电池技术评价指标的发展及其应用

张雅薇

关键词：液流电池技术；评价指标；发展

引言

随着风电、光伏等新能源装机规模的日益扩大，为保证电能质量，提高新能源利用率，相应配套的储能系统规模也越来越大。电化学储能方式以其成本低、建设周期短、安装方便等特点，近年来在电力系统中得到了广泛应用。全钒液流电池储能技术作为近年来崛起的电化学储能技术的代表，具有安全，环保，使用寿命长，功率和容量单元可单独设计等优点，成为近年来大规模推广的电化学储能技术之一。

1全钒液流电池

先进大容量储能技术特指应用在电力系统中、容量在千瓦级以上、综合性能优越的储能技术。作为解决可再生能源大规模接入、传统电力系统削峰填谷、分布式区域能源系统负荷平衡的关键支撑技术，大容量储能技术已成为世界未来能源技术创新的制高点。抽水蓄能、锂离子电池、铅蓄电池等目前主流的储能技术越来越难以满足快速发展的大容量储能需求，全钒液流电池由于具有安全环保、寿命长、规模大、效率高、选址自由等特点，成为大容量高效储能技术的首选之一。全钒液流电池技术应用价值日益受到重视，我国全钒液流电池技术与应用国际领先，有望成为大容量储能领域明日之星。

2液流电池技术评价指标的发展及其应用

2.1实用大型液流电池系统以能量效率为指标

目前液流电池主要应用于光伏发电/储能系统，为偏远地区供电，或为发电厂、高耗能企业削峰填谷、谷电峰用。通常选用能量效率作为电池系统的设计和运行指标。归纳了1991—2018年间代表性的大型全钒液流电池(VRB)电堆参数，即使液流电池系统的功率在逐年增加，其能量效率均保持在80%以上。2008年，奥地利的CellstromGmbH公司开发出一套功率/容量为10kW/100kW·h的全钒液流电池储能系统，能量转换效率在80%以上，在维也纳地区用作离网光伏储能充电站。2011年，中国大连旅顺蛇岛自然保护区10kW/200kW·h的全钒液流电池离网示范项目建成。配合光伏发电系统，实现离网稳定供电，日均系统效率达到70%。2008年，成功研制出输出功率为10kW的集装箱式液流电池模块，并集成出国内首台输出功率为100kW、蓄电容量为200kW·h的全钒液流储能电池系统，能量转化效率达到了75%。2013年2月，由大连融科储能技术公司设计、制造、安装，中科院大连化学物理研究所提供技术支持的全球最大规模的5MW/10MW·h全钒液流电池储能系统成功并网运行。该系统以22kW单体电堆为基础，其充放电能量效率为80%。2016年10月，大连融科与大连市热电集团有限公司合作共建200MW/800MW·h全钒液流电池储能电站国家示范工程。这是中国迄今为止最大的全钒液流电池项目，建成后将对缓解大连乃至辽宁电网调峰压力、提高大连地区供电可靠性、加快新能源发展发挥重要作用。2018年小型家用式全钒电池REFLEX，可作为国外的小型企业及别墅式家庭应急电源，能量效率高于80%，全钒液流电池相对安全的性能得到了国内外越来越多人的肯定和支持。

2.2应用

充放电性能测试方法通常采用充放电性能测试获取的充放电性能曲线及充放电性能参数（库伦效率、电压效率、能量效率、电解液利用率及容量保持性能）评价电池性能。目前，一些原从事于燃料电池技术的研究人员逐渐转为研究液流电池技术，他们沿用燃料电池常用的性能评价方法，即采用放电极化曲线及功率密度曲线评价电池性能。哪一种方法更能反映液流电池性能的本质呢？这就需要考察充放电性能测试和极化曲线测试方法对液流电池性能评价的有效性，建立适合于液流电池性能评价的方法。通过充放电性能测试、极化曲线测试方法对液流电池性能评价的一致性与差异的比较，并结合燃料电池和液流电池工作原理的深人分析，确立了充放电性能测试方法是科学有效的液流电池性能评价方法，研究发现极化曲线不适合用来评价液流电池性能，并且峰值功率密度对应的电流密度下，液流电池极化过大，电池无法正常充放电，不能实现储能作用，即峰值功率密度对应的运行工况在液流电池的大规模储能应用中无实用性。通过充放电性能分析发现，库仑效率与膜的离子选择性相关，电压效率和电解液利用率与碳毡的性能及电池内部结构和内阻密切相关，能量效率取决于库仑效率和电压效率的综合影响，确立了充放电性能参数的主要影响因素。

2.3保证能量效率前提下其他评价指标的选取

液流电池实际运行时的一个目标是高性价比，即每千瓦时的电量对应的成本最低。功率密度是指单位质量的电池输出的功率，可通过减少电池系统所使用的各种关键材料来降低质量，即提高电池的功率密度。能量密度是指在一定的体积或质量的物质中储存能量的大小，可分为体积能量密度和质量能量密度，其中质量能量密度又叫比能量，减少电解液和储液罐的体积，即提高电池的能量密度。对于水系电解液的液流电池，由于活性物质在电解液中的溶解度上限不高(例如全钒液流电池中活性钒离子的溶解度通常低于2.0mol/L)，主要是在保证系统能量效率的前提下提高电池的功率密度，或者保持功率密度的基础上提高能量效率。对全钒液流电池中常规的电解液贯通式流过石墨毡电极的流动方式作了改变，加入蛇形流道并配合优化的电解液流速，降低了传质极化，使放电电压升高来提高了电池的功率密度和能量效率，或使用更高效能的离子膜来提高效率。目前，研发人员发现提高电流密度可以有效的增高电池的库伦效率和能量效率，所以通过增大电流密度，达到电池可靠稳定运行的高电密环境也成为未来评价的重点。

结语

全钒液流电池的技术评价指标具有重要的意义：一方面，液流电池行业刚刚起步，更多的液流电池如锰钛电池、锌溴电池、新镍电池、有机液流电池等慢慢开始发展，全钒液流电池为比较评判各类液流电池提供依据；另一方面，合理的技术评价指标能正确指引液流电池行业的发展方向。从技术角度和未来发展角度出发，系统能量效率是最重要的评价指标。电池的能量效率保持较高(大于80%)且尽量减少系统功耗，是提高系统能量效率的关键。在保证系统能量的前提下，对于水系电解液液流电池，应通过降低电池内阻、提高电极活性、寻找更可靠的电解液等途径努力提高其功率密度;对于非水体系电解液液流电池，应通过增大正负极电势差、提高活性物质在电解液中的溶解度等方法尽量提高其能量密度。提高液流电池的充放电循环次数，保证充放电能量不降低也是一个重要的指标。上述评价指标的终极目的是使液流电池系统在实际应用中具有良好的经济性，降低每单位能量的存储和使用成本。对于一些紧急情况下作备用电源的液流电池，能量效率不再适用为评价指标，此时输出功率密度及可靠性是优先考虑的技术指标。

参考文献

［1］贾传坤，王庆．高能量密度液流电池的研究进展［J］．储能科学与技术，2015，4(5):467－475．

［2］李秋爽，刘剑虹，李华青．全钒液流电池在电动车中的应用［J］．齐齐哈尔大学学报(自然科学版)，2016，32(2):23－26．