全钒液流电池储能进展与应用介绍

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。由于产业链长、产业规模大，储能产业已成为战略性新兴产业，得到了工业发达国家产业界的重点关注。

2016年4月1日国家能源局颁布的《2016年能源工作指导意见》中明确提出“加快全钒液流电池”等领域技术定型。这些无疑为全钒液流电池储能技术的研究开发和商业化应用的提供了重大机遇。

技术特点

对于大规模储能技术而言，由于系统功率和容量大，有其自身的技术要求，主要包括以下三个方面：安全性好;生命周期的性价比高(生命周期的经济性好);生命周期的环境负荷小(生命周期的环境友好)。全钒液流电池储能技术能很好地满足上述要求。

对规模储能技术而言，由于系统功率和容量大，发生安全事故造成的危害和损失大，因此规模储能技术的首要要求是安全可靠性。

全钒液流电池是通过钒离子的价态变化，实现化学能到电能的往复转换，从而实现电能存储与释放的一种储能技术。与其他储能技术相比，全钒液流电池储能技术具有以下优点：

安全性好：全钒液流电池的储能活性物质为钒离子的水溶液，常温常压运行，不会发生燃烧。经过长时间运行，即使离子传导膜发生破裂，正负极活性物质发生互混，也不会发生爆炸和燃烧。系统运行过程中，电解液在电堆和电解液储罐之间循环流动，电堆产生的热量可以有效排出，热管理简单。全钒液流电池体系的技术特性使得单体电池间一致性好，消除了像锂离子电池那样因为一致性差而导致的系统安全性问题。

循环寿命长：全钒液流储能电池的充放电循环寿命可达13000次以上，日历寿命超过15年。由于全钒液流储能电池的活性物质——钒离子存在于液态的电解液中，在电池反应过程中，钒离子仅发生价态变化，而无相变，且电极材料本身不参与反应，因此电池寿命较长。日本住友电工制造的25kW的全钒液流电池模块在实验室中运行，充放电循环次数超过16000次。与风电场配合使用的4MW/6MWh电池系统，在3年的应用中实现充放电循环27万次。在1MW/5MWh全钒液流电池储能系统中，电解液的成本约占整个成本的45%，由于电解液可循环使用，所以生命周期的性价比高。

充放电特性良好：全钒液流电池储能系统具有快速、深度充放电而不会影响电池的使用寿命的特点，且各单节电池均一性良好。另外，钒离子的电化学可逆性高，电化学极化也小，因而非常适合大电流快速充放电。与传统电池相比，全钒液流电池更加适应在过充、欠充、局部SOC区间等电网实际工况条件下运行的要求。

功率和容量独立设计：全钒液流电池储能系统的显著优势之一是功率和容量相互独立。全钒液流电池的功率由电堆的规格和数量决定，容量由电解液的浓度和体积决定。因此，功率的扩容可通过增大电堆功率和增加电堆数量实现，容量的提高可以通过增加电解液体积实现。功率和容量相互独立，使得设计更加灵活。输出功率范围：kW～数百MW，储电容量范围：10kWh~数百MWh。

环境友好：全钒液流电池电解质溶液可循环使用和再生利用。电堆的关键材料中，电极材料为碳毡，双极板为碳板，集流板为紫铜板，端板为铝合金板或铸铁版，电解液传输管道为工程塑料管，材料来源丰富，加工技术成熟，易于回收利用，生命周期中环境友好。

可实时、准确监控电池系统荷电状态(SOC)：全钒液流电池开路电压(OCV)高低表征储能电池系统容量状况。通过电化学滴定方法测定正负极电解液浓度可以准确计算储能系统的容量状况(SOC)，并与OCV进行对应，获取储能电池系统SOC与OCV的函数关系曲线。将函数关系曲线耦合到电池管理系统中，可以通过测量系统开路电压对储能系统容量状况进行精确测算。该特性有利于电网进行管理和调度。

由于受钒离子溶解度的限制，和其他电池相比，全钒液流电池储能密度偏低、体积较大，不适合于动力电池，适合用于大型固定储能电站。另外，电池系统增加的管道、泵、阀、换热器等辅助部件，使得全钒液流电池储能系统较为复杂。

总体看，在输出功率为数百千瓦至数百兆瓦，储能容量在3小时以上级的大规模化固定储能场合，全液流电池储能技术具有明显的优势，是大规模高效储能技术的首选技术之一。

技术进展

从2000年开始，中科院大连化学物理研究所(下称：大连化物所)和大连融科储能技术发展有限公司(下称：融科储能)通过产学研合作，在电池材料、部件、系统集成及工程应用方面关键技术方面取得重大突破，引领中国全钒液流电池储能技术走在世界前列。

1.掌握了电池关键材料核心技术与产业化生产能力，产品性价比优势明显

在钒电解液开发方面，研发团队以自主生产的高纯钒氧化物为原料，运用专利技术工艺，实现了硫酸体系钒电解液产品、混合酸体系钒电解液产品的规模化生产。目前产能达5万立方米/年，能够满足本项目及国内外市场需求，已经出口欧、美、日等发达国家，占据同类产品80%的市场份额。

在双极板开发方面，研发团队突破了液流电池用高性能、低成本碳塑复合双极板批量化制备技术，并研制出连续成型生产设备，已经实现批量化生产广泛应用于工程项目中。

在离子传导膜开发方面，突破传统的“离子交换传递”机理的束缚，原创性提出了不含离子交换基团的“离子筛分传导”概念，发明了高选择性、高导电性、低成本的非氟多孔离子传导膜，从分子尺度上实现了对钒离子和氢离子的筛分，摆脱了对离子交换基团的依赖，提高了非氟膜的稳定性和耐久性。经10,000多次充放电循环考核，电池性能无明显衰减，电池性能优于全氟磺酸离子交换膜，价格不到全氟磺酸离子交换膜的20%，并实现中试生产和示范应用。

2.掌握了全钒液流电池电堆设计、制造及批量化生产技术

电堆是全钒液流电池储能系统的核心部件，它的性能和成本直接影响电池储能系统的性能和成本。大连化物所和融科储能研究团队突破了电堆的结构设计与集成技术，在2009年成功开发的22kW级液流电池单体电堆基础上，通过进一步优化创新。2013年，成功将电堆的额定工作电流密度由原来的80mA/cm2提高到120mA/cm2而保持能量效率80%，开发出具有国内外领先水平的31.5kW单体电堆，大幅度降低了电堆的材料成本。

3.突破兆瓦以上级储能系统设计集成技术，实现了全钒液流电池储能技术的商业化应用

MW以上级液流电池储能系统通常由上百个甚至数百个电堆构成，储能系统的集成和控制技术直接影响到运行的可靠性和稳定性。研究团队创新性地提出了模块化设计理念，开发出可独立控制运行的液流电池单元储能模块和系统集成技术、智能控制管理技术及多系统耦合与控制技术。图2为研究团队研制出高集成度的125kW和250kW集装箱结构的全钒液流电池单元储能模块，实现了工业化生产。产品的可靠性、稳定性好，在运输、现场安装、灵活设计和环境适用性等方面都具有显著优势。应用标准的储能模块可以构建兆瓦级大规模的电池系统。

4.引领行业、国家标准和国际(IEC)

液流电池标准的制定

研发团队带头人师张华民研究员推动成立了“国家能源行业液流电池标委会”，并任主任委员，牵头制定的多项液流电池国家和能源行业标准填补了国内空白。大连化物所和融科储能公司受欧洲标准委员会(CEN)和欧洲电化学技术标准委员会(CENELEC)邀请，作为欧洲液流电池协议的发起者之一，全面参与欧洲液流电池行业协议的制定。

另外，在张华民研究员的积极推动下，国际电工委员会(IEC)IEC已提出把液流电池标准制定纳入工作范围，并成立了专门的“液流电池国际标准研究组”。公司副总经理、总工程师张华民研究员是其中3名委员之一和召集人，他将液流电池的标准工作正式纳入国际电工委员会工作范畴，并主持《IEC62932-2-1固定式液流电池通用要求和测试方法》国际标准。

工程项目情况

在国家能源结构调整的大背景下，大连化物所和融科储能公司针对目前存在的问题和需求，分别在可再生能源发电领域、分布式发电及智能微网、无市电地区供电等领域开展一系列全钒液流电池工程项目，积累了丰富的应用经验。典型项目情况如下。

1.可再生能源发电领域

研发团队于2012年在辽宁省龙源卧牛石风电场建设了“5MW/10MWh全钒液流电池储能应用示范电站”。该电站于2012年成功通过辽宁电网和业主的验收，各项指标全部达到设计要求。储能电站直接接受辽宁省电力公司调度中心调度，已稳定运行三年多。这是目前世界上第一套实际并网运行的5MW级大型工业该储能电站，标志融科储能在该领域技术研发、成套产品生产等方面处于国内领先，国际先进水平。

在能量管理系统的统一调度下，5MW/10MWh全钒液流电池储能系统实现了以下功能：平滑风电输出;提高风电场跟踪计划发电能力;风场弃风限出力情况下储电，增加风场收益;暂态有功出力紧急响应、暂态电压紧急支撑功能;接受电网调度，参与电网调频电网调峰。

在5MW/10MWh全钒液流电池储能电站成功运行的基础上，研发团队又先后实施了辽宁黑山龙湾风电场3MW/6MWh全钒液流电池储能电站项目、国电和风北镇风电场2MW/4MWh全钒液流电池储能电站项目。同5MW/10MWh全钒液流电池储能电站相比，电站功能更加丰富，实现了孤岛运行、节能降耗和黑启动功能，风电场运行更加智能化，具备网源友好性特点，更加有利于电网与风电场相互协调及管理调度，有利于电网接纳风电能力的提高。

2.分布式发电和智能微网领域应用

研发团队于2014年6月成功实施了辽宁电科院风/光/全钒液流电池储能的智能微网项目。全钒液流电池储能系统配置为100kW/400kWh，采用集装箱方式室外安装。该系统已经稳定运行接近一年。2014年，研发团队为中广核青海光/储智能微网工程提供了125kW/1MWh全钒液流电池系统，与光伏发电结合，为青海共和县无市电地区提供电力供应。作为智能微网中不可缺少的一部分，全钒液流电池储能系统能够有效对微网内风能和太阳能发电输出特性进行调节，保障了微网运行稳定性。针对分布式发电和智能微网领域，研发团队还为金风科技集团北京亦庄风/光/储智能微网工程提供了200kW/800kWh全钒液流电池系统。

3.无市电地区供电领域应用

研发团队在大连蛇岛自然保护区实施了光/柴/储离网供电工程。该离网系统运行至今已经三年有余，运行稳定，用户对整套离网供电系统运行效果非常满意。

在该离网系统投运之前，蛇岛上的用电主要靠柴油发电机提供，考虑成本因素一天只使用几个小时的电，岛上人员办公和生活条件非常艰苦与不便。在离网系统投入运行之后，不仅保证了蛇岛办公及生活设施的二十四小时连续供电，岛上维护人员的生产及生活条件得到较大程度改善，而且基本消除了柴油发电机的使用，降低了柴油的消耗，保护了环境，同时也降低了噪音污染，有利于蛇岛自然保护区的生态保护。

另外，随着国际储能市场商业化进程的不断加快，研发团队也大力拓展国际市场。2014年，与德国博世集团(BOSCH)合作，在德国北部风场建造了250kW/1MWh全钒液流电池储能系统。该系统是目前欧洲最大规模的全钒液流电池储能系统，已通过验收，实现并网运行。

从1986年提出全钒液流电池概念至今，全钒液流电池在关键材料、电堆、电池系统设计与集成都上取得了重大进展，大量的应用示范不仅验证了技术的有效性和成熟性，也越来越多的得到了市场认可，产业链逐步完善，整体产业已经进入市场化初期阶段。随着大规模可再生能源应用为全钒液流电池提供了广阔的市场空间，随着电力体制改革的深入和激励政策的出台，全钒液流电池将迎来第一轮市场爆发期。