鉅大LARGE | 點擊量：567次 | 2023年07月24日
全釩液流電池充放電損失再降低，產(chǎn)業(yè)化前夜，成本下滑進入快車道
近日，深圳大學化學與環(huán)境工程學院周學龍副研究員團隊在國際期刊ACSAppliedMaterials&Interfaces上發(fā)表了題為PromotingPore-LevelMassTransport/ReactioninFlowBatteries:BiNanodot/VerticallyStandingCarbonNanosheetCompositesonCarbonFibers的研究論文。
與常規(guī)固體電池不同，全釩液流電池的活性物質(zhì)存儲于外部的儲存罐中，使其具有功率和容量解耦的特性，即儲電容量由電解液體積決定，而電池功率則取決于電堆尺寸。獨特的流體電池結(jié)構(gòu)使得該類電池具有可拓展性極強、組件設計靈活度高、使用壽命長等優(yōu)點，被認為是最具前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一。
然而，目前工業(yè)用全釩液流電池電堆功率密度較低，造成系統(tǒng)龐大、建設成本高等問題，限制了其進一步商業(yè)化應用。針對該現(xiàn)狀，鉍納米點嵌于立式碳納米陣列復合石墨氈電極被設計并制備出來用于該電池體系，以減少電池在充放電循環(huán)運行過程中的能量損失，從而大幅提升電池實際運行功率密度。
實驗表明，納米碳陣列以豎直方式致密地生長在碳纖維表面，構(gòu)建了可供釩離子直接穿梭的納米孔層通道，并且陣列表面均勻地分布著錨定的Bi納米點，提供了豐富的活性位點。
此外，納米碳陣列修飾過的石墨氈的比表面積從0.6m2g-1大幅提升到30m2g-1，并在電化學測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。將復合電極應用于液流電池中，發(fā)現(xiàn)電池的電荷轉(zhuǎn)移阻抗大幅降低至70mΩcm2，在高達300mAcm-2電流密度下的能量效率超過80%。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
與之對比，使用熱處理石墨氈的電池在相同測試工況下電荷轉(zhuǎn)移阻抗高達790mΩcm2，能量效率僅為62%。多物理場數(shù)值模擬結(jié)果表明，豎直結(jié)構(gòu)優(yōu)化了釩離子對三相界面的可及性，從而電極的催化活性最大化。此外，復合電極在液流電池中還表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在長達1000圈循環(huán)測試中的能量效率衰減速率僅為每圈0.0072%。綜上，良好的催化活性以及穩(wěn)定性使得該類復合電極在全釩液流電池中極具應用前景。
另外，該團隊還在AdvancedFunctionalMaterials（影響因子18.808，中科院JCR1區(qū)，TOP期刊）上發(fā)表了題為“WearableBiofuelCells:AdvancesfromFabricationtoApplication”的論文。該文系統(tǒng)總結(jié)了近年來在柔性可穿戴生物燃料電池制備和新興領(lǐng)域應用方面的進展。
可穿戴設備的蓬勃發(fā)展催生了對高性能可穿戴電源系統(tǒng)的開發(fā)，而這些電源系統(tǒng)往往需要在承受頻繁變形的復雜工況下供給能量。與傳統(tǒng)二次電池和超級電容器等能源系統(tǒng)不同，可穿戴生物燃料電池(w-BFCs)可通過高效的生物電化學反應利用高能碳中性燃料進行發(fā)電。
獨特的工作機制使其具有優(yōu)異的生物相容性、環(huán)境可持續(xù)性以及卓越的小型化能力，同時這些優(yōu)點也使w-BFCs在可穿戴設備供電、自供電生物傳感、可控藥物傳遞和智能傷口敷料等新興領(lǐng)域展示出巨大的應用前景。
全釩液流電池正處在產(chǎn)業(yè)化的前夜，伴隨儲能的發(fā)展，釩電池的滲透率將快速提升，擁有釩資源的企業(yè)將最為受益。
1）釩電池正處于產(chǎn)業(yè)化的前夜，安全性突出
電化學儲能領(lǐng)域目前仍存在技術(shù)之爭，釩電池成本的快速下降正在發(fā)生，釩電池在儲能領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，釩電池即將走向產(chǎn)業(yè)化。
通過深入調(diào)研，結(jié)合當前釩電池成本下降、政策推動的情況來看，國泰君安認為我國釩電池目前已經(jīng)處在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的前夜。隨著我國儲能的發(fā)展和釩電池性能的上升，釩電池在儲能中的滲透率將快速上升，釩電池即將爆發(fā)。
大規(guī)模儲能核心要求主要為安全、生命周期經(jīng)濟性。由于鋰電安全事故頻發(fā)，國家近期下發(fā)《電化學儲能電站安全管理暫行辦法（征求意見稿）》，強調(diào)電化學儲能的安全性是核心要求。
釩電池安全性能突出，無燃燒風險；而從全生命周期來看，釩電池充放電對容量幾乎無損耗，全生命周期性價比突出；此外，釩電池電解液只需簡單電解后就能夠重新使用，對環(huán)境友好。綜合來看，全釩液流電池是大規(guī)模儲能的最佳選擇。
2）成本下降進入快車道，全生命周期性價比突出
全釩液流電池成本中電堆、電解液成本占比均在40%左右，目前釩電池的電堆成本正在快速下降。
釩電解液幾乎可以完全回收，通過租賃電解液的方式可以有效降低電解液成本，實現(xiàn)電解液成本下降。
以典型項目測算，假設釩電池充放電次數(shù)達到1.2萬次，則全生命周期看釩電池的成本為0.72元/KWh，低于鋰電儲能0.80元/KWh的成本。若考慮釩電解液的回收，其全生命周期成本僅為0.48元/KWh，隨著釩電池產(chǎn)業(yè)化帶來的成本下降，未來釩電池儲能或逐漸擺脫補貼，達到經(jīng)濟性。
3）釩電池滲透率上升，釩資源趨緊
根據(jù)國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布的《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》所制定的目標，到2025年新型儲能裝機規(guī)模將達30GW以上。綜合安全、全生命周期成本來看，釩電池全面領(lǐng)先鋰電池，將在儲能領(lǐng)域占據(jù)主導地位，預期2025年釩電池在儲能領(lǐng)域滲透率有望達到15%-20%。
目前1GW釩電池用五氧化二釩的量為1萬噸左右，假設釩電池在儲能領(lǐng)域的滲透率達到15%，則2025年新增釩電池裝機量為4.5GW，由此帶來的五氧化二釩新增需求量為4.5萬噸，相當于2020年釩電池市場規(guī)模的9倍，釩資源供給缺口隱現(xiàn)。VALUE，新材料科訊
