全产业链贯通布局下钒液流电池长时储能发展思考

清洁能源的发展和“双碳”目标的实施推动了能源结构调整和电网系统升级,这必将催生巨大的万亿长时储能需求,麦肯锡预测2030年全球可再生能源占比将升至60%~70%,长时储能比2025年增加5~10倍(预计2025年30~40 GW)。全钒液流电池相比其他电化学储能具有安全长寿、灵活可靠、资源丰富等优点,2018~2023年国家和地方发布了多项清洁能源储能配置标准的政策性文件,在此背景下钒储能电池行业企业持续高速增长,行业集中度提升,宏观领域表现为我国钒储能产业正处在加速发展期。目前,钒储能电池总体成本较高,主要原因是钒原料价格高,降低成本的核心环节是钒资源提取成本和电解液生产制造成本。中国恩菲研发的短流程制备钒电解液技术相对于传统钒电解液制备技术具有流程短、钒利用率高的特点,制造成本降低了30%~50%,后期随着钒资源开发和新工艺的研发成功,钒储能产业降本优势将愈发突出。在国家政策支持下,钒液流电池储能系统有望在短期内实现规模化、商业化应用,成为储能领域的重要选择。未来,钒液流电池储能系统仍需从多方面进行优化,如重视技术创新和研发、健全回收利用体系等,以实现钒液流电池长时储能产业的可持续发展。

氢气焙烧还原制备全钒液流电池用V_(2)O_(3)

针对氢气焙烧还原偏钒酸铵(AMV)制备全钒液流电池V_(2)O_(3)的试验条件、晶相和微观结构的影响展开研究。结果表明,优选试验条件为:氢气还原温度575℃、氢气还原时间1 h、氢气气流速率100 mL/min、还原后随炉冷却。通过上述试验方案获得的样品基本全部为V_(2)O_(3),主晶相为V_(2)O_(3),微观结构上晶粒饱满且以片状物或块状物的形式紧密堆积在一起。最终可生产电池级V_(2)O_(3),并制备出合格的全钒液流电池电解液。

全钒液流电池技术研究进展

钒氧化还原液流电池是一种安全、环保、稳定、寿命长的电化学储能设备,对绿电储能和双碳政策实施具有重要意义。本文首先介绍了钒液流电池结构与特点;然后详细综述了钒电池的应用情况以及钒电池中钒电解液、电极和隔膜的研究进展情况;随后对钒资源、全钒液流电池国家相关政策进行了简述,并对当前钒液流电池市场规模根据现有数据进行了估算。最后,总结钒电池技术与产业发展现状,并展望了未来重点研究方向。

储能钒液流电池研发热点及前景

介绍了全钒离子氧化还原液流电池(钒液流电池,VRB)的特点,它的关键材料,如电解液、集流体、电极材料以及隔膜等的研究现状和制约难点。对钒液流电池作为储能系统的发展作了分析;就钒液流电池的发展趋势进行了展望。

钒液流电池的建模与充放电控制特性

随着风电场、光伏电站并网穿透功率的不断增加,风电场、光伏电站输出功率随机波动性给电网的安全运行带来了一系列影响,储能技术平滑风电场、光伏电站输出功率波动是有效手段之一,因此对储能媒介建模及充放电控制方式的深入研究至关重要.钒液流电池作为一种新型储能电池,具有功率密度和能量密度独立控制、充放电循环寿命长、动态响应快、维护简单等优点,适合于可再生能源发电系统应用.研究钒液流电池(VRB)的充放电模型、电池可用能量预测、荷电状态SOC及充放电输出特性,构建10 kW/h VRB仿真系统模型,详细研究VRB的恒功率、恒电流充放电模式和充放电效率,并讨论应用于独立光伏发电系统的VRB优化充电方式.

钒液流电池用碳纸电极改性的研究

采用红外光谱、单点比表面积检测手段研究了碳纸435℃热处理前后的表面结构和比表面积的变化.并将这类碳纸用作全钒液流氧化还原电池电极材料,对其电化学性能进行了研究.结果表明:热处理10h的碳纸表面有-COOH官能团生成,比表面积显著增大,其电化学活性增强.热处理后的碳纸作为电极组装成的电池在电流密度50mA/cm2时有良好的充放电性能,平均电流和电压效率达到95%和89%.

钒液流电池用碳纸电极改性的研究

采用红外光谱和扫描电镜等手段研究了浓硫酸处理前、后碳纸的表面结构和形貌的变化。并将这类碳纸用作全钒液流氧化还原电池电极材料,对其电化学性能进行了详细研究。结果表明通过酸处理,碳纸表面有-COOH官能团生成,其电化学活性增强。酸处理后的碳纸电极组装成的电池在电流密度20 mA.cm-2时有良好充放电性能,平均电流和电压效率达到95%和82%。

钒液流电池建模及充放电效率分析

储能系统是风力发电系统和太阳能光伏发电系统的重要组成部分,钒液流电池(VRB)作为一种新型储能电池,其优势及成功范例充分展示了它在储能市场的广阔前景。介绍了钒液流电池的工作原理,通过研究VRB的堆栈电压、荷电状态SOC、内部损耗和动态响应,构建了VRB仿真系统模型。详细研究了VRB恒电流充放电模式,定性、定量地分析了影响钒液流电池储能充放电效率的因素,并得出了最优充电电流。

钒液流电池电解液的热力学研究进展

钒液流电池作为可以规模化储能的一种二次电池越来越受到人们的重视,和其它类型的化学电池不同,其电解液不仅是离子导体,也是实现能量存储的电活性物质,是钒电池的核心。为了提高钒电池储能系统的性能并使之稳定运行,必须深刻认识钒电解液的热力学性质及变化规律。溶液热力学的研究可以提供如离子的存在形式、离子的活度及活度系数、不同形式离子对的解离常数等信息。这些热力学基础数据在设计电池和提升其性能方面都有着重要意义。本文对钒液流电池电解液热力学性质的研究进行了综述,重点介绍了量热法、密度法、电导法等在钒溶液研究中的应用,还介绍了Pitzer电解质溶液理论应用于钒溶液的研究情况,最后对热力学在钒液流电池电解液研究中的应用前景进行展望。

复合添加剂对钒液流电池正极电解液的影响

分别采用硫酸钠、乙醇以及将二者混合的复合物质作为钒电池电解液的添加剂,采用循环伏安、充放电、紫外可见光测试、热稳定性测试等方法研究了不同添加剂对电解液的影响,结果表明,复合添加剂(硫酸钠和乙醇的混合物)可以有效改善钒电池正极电解液的电化学活性以及热稳定性。

钒液流电池平滑风电场输出功率研究

基于PSCAD/EMTDC搭建了永磁直驱风电场,并根据钒液流电池(VRB)的数学模型搭建了并网型电磁仿真模型。根据风电场的输出功率变化,设定相应的能量管理及控制策略,对含有钒液流电池的风电场进行仿真分析。仿真结果表明,钒液流电池可较好地平滑风电场输出功率的波动性,在一定程度上提供无功支持,改善电压稳定性。

氧化石墨烯/聚苯胺复合物用于钒液流电池电极材料的研究

本文提出了采用氧化石墨烯/聚苯胺复合物用于钒液流电池正极VO_2^+/VO_2^+和负极V+2/V+3电对的催化氧化还原研究。以天然石墨为前驱体,采用Hummer氧化法制备氧化石墨烯片层材料,进一步采用电化学沉积法制备氧化石墨烯/聚苯胺复合物,形成既具有丰富含氧官能团又具备良好导电性的结构特征,循环伏安测试结果表明,在10mV·s^(-1)的扫描速率下,氧化石墨烯对正极VO_2^+/VO_2^+和负极V_2^+/V_3^+电对氧化和还原峰电势差ΔE分别为0.243V和0.27V,而氧化石墨烯/聚苯胺复合物对正负极电对的氧化和还原峰电势差ΔE降低为0.142V和0.149V,大大降低了正负极电对的氧化还原反应的极化行为和反应阻抗,提高了反应的可逆性。

全钒液流电池堆旁路电流的计算及电堆优化

采用对电堆内流道电路仿真计算的方法,分析了5kW级全钒液流电池堆在不同充、放电电流条件下,旁路电流的分布情况和对能量效率的影响。分析结果表明:(1)较大电流充放电有利于提高电堆理论库仑效率和能量效率,在50 A、100 A和200 A电流充电时,电堆理论库仑效率分别为:90.66%、95.2%和97.49%;(2)增加电堆中间隔板结构,有利于减少旁路电流,提高电堆能量效率;(3)对电极液框优化设计可以提高电堆库仑效率。

全钒液流电池并/离网系统研究

搭建了全钒液流电池的等效电路模型,研究其PCS控制模型,并对控制参数进行计算。在MATLAB/Simulink仿真软件中搭建了全钒液流电池的并网和离网的仿真模型,对参数设置及PCS控制策略做了详细的研究。方案为全钒液流电池并/离网系统的研究提供依据,有效提高了系统电压质量。

Mn^(2+)浓度对钒液流电池正极液的电化学性能影响

电解液中金属离子会影响钒液流电池的电化学性能。本文采用循环伏安法和电化学阻抗谱研究了正极液中Mn2+浓度对V髨/V(Ⅳ)电对的氧化还原过程影响规律,发现Mn2+在正极液中没有发生副反应,但严重影响V髨/V(Ⅳ)的反应活性、电极反应可逆性、离子扩散与电荷转移反应等电化学性能。循环伏安测试结果表明Mn2+浓度为0.04-0.13 g.L-1时,V髨/V(Ⅳ)电对电极反应可逆性和反应活性较高,钒离子扩散系数由参照溶液中的8.89×10-7-1.098×10-6增大至1.302×10-6-1.800×10-6 cm2.s-1,提高了-60%;电化学阻抗测试结果表明Mn2+浓度为0-0.04 g.L-1时,V髨/V(Ⅳ)电对电极反应阻抗和界面阻抗均较参照溶液中的增加不明显,但当Mn2+浓度增至0.07 g.L-1时,上述阻抗值较参照溶液增大了25%-28%。基于二者结果,Mn2+对电极反应有不同程度的负面影响,但是适当的Mn2+浓度有利于钒离子的扩散。

钒液流电池变电流快速充电方法

基于电池快速充电基本原理,采用了变电流间歇恒压充电方法,并结合正交试验方法,对自制单片钒液流电池进行了一系列的充放电测试,获得了最佳充电参数。结果表明:采用变电流间歇恒压充电方法,充电时间相比恒流恒压充电方法缩短近50%;且获得了大致相同的放电容量,放电比率为100%;多次充放电循环后,放电容量未见衰减,取得了良好充电效果。

钒液流电池在光伏发电系统中的应用研究

随着光伏发电建设规模的迅速扩增,结合分布式光伏发电并网的实践应用情况,光伏发电受光照和温度的变化引起的发电功率波动问题愈显突出。为了实现光伏发电系统向电网输送的功率稳定,提出运用储能型光伏发电系统,以解决削峰填谷、并网功率波动等问题。在储能型光伏发电系统中采用了新型储能元件钒液流电池(VRB),以抑制功率波动对电网产生的负面影响。详细的分析了VRB的应用优势以及工作原理,并建立了VRB等效电路模型,利用Matlab/Simulink仿真软件对VRB的充放电特性进行仿真分析,仿真结果充分的验证了所提出的新型储能元件VRB具有可行性和实用性。

钒液流电池外特性研究

在可再生能源系统中加入储能系统,成为克服可再生能源波动性的一种有效方法。钒液流电池(VRB)的诸多特性,使其非常适合用于可再生能源系统中。研究VRB充放电特性,对于钒液流电池的应用至关重要。简述了VRB的充放电机理,通过实验对VRB在充放电过程中正负极电解液的体积变化规律进行了阐述,指出电解液体积可用来判断电量或电池是否过充。研究了恒电流和恒功率充放电过程中电池端电压及电流的变化规律,比较电池效率的变化,从电化学角度对这些现象进行了分析。总结了VRB的外特性。了解这些外特性并从内部机理角度理解VRB,能够更好地利用VRB。

大功率全钒液流电池系统效率优化分析

通过matlab/simulink仿真软件建立20 kW等级钒电池系统压损模型,发现钒电池系统压损主要取决于电堆的碳毡孔隙率、管道直径、电解液流量;通过对自制的20 kW等级钒电池系统进行性能测试,验证了系统仿真模型的可靠性;通过考察电解液流量对电堆性能影响,流量从30 L/min增加到50 L/min,钒电池能量效率从79.6%增长到82.4%,电解液输出能量从2300 Wh提升到4080 Wh,容量提高了77.4%,钒电池系统效率与泵功耗存在最佳效率点,当电解液流量为50 L/min时,钒电池系统效率达到78.7%。

钒液流电池电解液研究综述

钒液流电池(简称钒电池)因其优良的性能特点比较适合用于大规模储能系统。电解液是钒电池的关键部件之一,其性能的好坏对钒电池的发展至关重要。文章对钒电池电解液的组成、制备方法、添加剂对电解液稳定性的影响、失效电解液回收利用等方面的研究进行了综述;指出在钒电池应用及研究中,应重点考虑钒电池失效电解液中钒资源的回收再利用问题以及工业化应用中电解液的稳定性及系统成本问题。