鉅大LARGE | 點擊量：569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(jìn)入快車道
近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院周學(xué)龍副研究員團(tuán)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(shè)計靈活度高、使用壽命長等優(yōu)點，被認(rèn)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(shè)成本高等問題，限制了其進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用。針對該現(xiàn)狀，鉍納米點嵌于立式碳納米陣列復(fù)合石墨氈電極被設(shè)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(xué)測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性。將復(fù)合電極應(yīng)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(dá)300mAcm-2電流密度下的能量效率超過80%。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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(dá)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(fù)合電極在液流電池中還表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在長達(dá)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(fù)合電極在全釩液流電池中極具應(yīng)用前景。
另外，該團(tuán)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(yīng)用方面的進(jìn)展。
可穿戴設(shè)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(fù)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(xué)反應(yīng)利用高能碳中性燃料進(jìn)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(shè)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(yīng)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(xué)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(dāng)前釩電池成本下降、政策推動的情況來看，國泰君安認(rèn)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(jì)性。由于鋰電安全事故頻發(fā)，國家近期下發(fā)《電化學(xué)儲能電站安全管理暫行辦法（征求意見稿）》，強調(diào)電化學(xué)儲能的安全性是核心要求。
釩電池安全性能突出，無燃燒風(fēng)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(jìn)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(shè)釩電池充放電次數(shù)達(dá)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(dá)到經(jīng)濟(jì)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(dǎo)意見》所制定的目標(biāo)，到2025年新型儲能裝機規(guī)模將達(dá)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(dǎo)地位，預(yù)期2025年釩電池在儲能領(lǐng)域滲透率有望達(dá)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(shè)釩電池在儲能領(lǐng)域的滲透率達(dá)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(dāng)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
