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钒电池:会是储能大趋势吗?

最近一段时间,“钒电池”这个词火了起来。听上去它好像和锂电池有点关系,它是下一代电池吗?它的火是噱头还是机会呢?

这篇《科技参考》,我就来介绍一下钒电池的现状和未来。

我们先说结论:

钒电池是一个非常年轻的产品,它的优点是非常适合储能电站使用,尤其适合中国的当前和未来。但正因为年轻,当前的成本还非常高,类似于上世纪 90 年代初锂电池的发展阶段,于是很难说钒电池是不是 20 年后储能电站的主要形式。

 

钒电池

下面咱们具体说一说:

钒电池和我们见过的其他电池最大区别就是,它的正负极全都是液体,只有中间的隔膜是固体。正极产生的变化是,五价的钒离子与四价钒离子的来回转换;负极产生的变化是,三价的钒离子与二价钒离子的相互转换。

正极和负极,你可以把它们想象成两个大水桶,分别由水泵推着水流旋转。正极水桶里的液体顺时针转,负极水桶里的液体逆时针转,它们交汇的地方用一层隔膜挡住,保证正负极液体永不接触,否则就相当于电池内部短路了。但是,还有一种东西是可以穿透隔膜的,那就是电子。

具体是这样的:

给电池充电时,正极的四价钒离子会再失去一个电子,变成五价钒离子。失去的那个电子会穿过隔膜来到负极,让负极的三价钒离子变成二价的钒离子。放电的时候是反着的。

这个过程中,正负极的液体颜色还会跟着变化,没电的时候正极是蓝色的,负极是绿色的;充满电时正极是黄色的,负极是粉色的,挺好看的。总之,科学家们找到了一种分子,可以实现电子在隔膜间的定向穿梭,钒电池就这样工作起来。

 

为什么钒电池突然引起关注?

钒电池突然引起关注,和政策导向有关系。

2022 年 6 月 29 日,国家能源局发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求》里有这么一条,“中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,不宜选用梯度利用动力电池;选用梯度利用动力电池时,应进行一致性筛选,并结合溯源数据进行安全评估”。这个规定一下限制了储能电站的规划。

在全球碳中和项目推进之前,通过电池储能的方式建立储能电站,属于非常小众的类别,最主流的还是建设抽水蓄能的储能电站。就是把用不了的电用在抽水机上,把低洼地带的水运输到高处的水库,等要发电时再开闸放水发电。只有在特别需要储能,而地理位置又不合适、方圆几十公里都是大平原的时候,才有用电池把电能存起来的项目。

当时,用什么电池的都有,铅酸的、三元锂的、磷酸铁锂的都有。而且,为了减少建设成本,绝大部分储能电站的电池都是淘汰下来的动力电池。

也就是说,虽然电动汽车的电池标称 1000 次循环就寿命到期了,但这并不是说 1000 次后就完全不能用了,只是因为这时候电池的电量已经降低到出厂时的 80% 了;如果再循环 200 次呢,电量可能会降低到出厂时的 65%。但是,这 200 次也依然可以用啊!

既然是给风力发电和太阳能发电配备的储能设备,就根本不用在意能量密度。我们可以挖一个 500 米长、500 米宽、10 米深的大凹槽,里面装满这类寿命对电动车来说已经到期,但其实还能凑合用的电池。这种使用方式就是能源局那份要求里提到的“梯度利用”。

而能源局的建议是,“不宜利用梯度利用电池”,就是这么做今后很可能不批准,就算批准,也会严格审核电池的一致性和能否溯源。也就是说,这些废物再利用电池最好都是那些情况还不错,可以查明生产日期、出厂日期,内阻、剩余容量等规格都有很高一致性的情况下才可能批准。

 

钒电池的优势

这条通知还禁止了另外两种电池搭建储能电站,就是三元锂电池和钠硫电池。为什么?因为这两种电池在寿命末期,一旦出现故障,大都会产生明火。

原因是正负极在反复充放了上千次后,不断的向中间生长晶枝,晶枝最后会刺穿正负极之间的隔膜。正负极短路后,由于里面有高活性的金属锂和钠,和空气中的氧气接触,马上就会产生明火,然后一节节的点燃里面没有发生故障的电池。

三元锂电池导致的储能电站火灾还有一个特点,就是没法救。不像其他火灾,把明火扑灭就能保住其他设备,三元锂电池内部自带足够多的氧化剂和还原剂,所有的材料都包在了一起,所以一旦起火,不把材料彻底反应完是不会停的。

2011-2022 年,全球一共发生过 34 起储能电站爆炸事故,日本 1 次,比利时 1 次,中国 3 次,美国 4 次,韩国 25 次。这里面,三元锂电池和钠硫电池,也就是在通知里被禁止用于储能电站的这两类电池,引发的事故是 31 次,十年间的恶性事故有 91% 都是它们造成的。所以,你就知道为什么通知里有这条禁令了。

当然,韩国属于是帮全球储能电站试错了。能源局这个禁令是一条符合技术规律的合理禁令。

而且你注意,统计的这十年里,锂离子电池作为储能电站的规模还只是处于起步阶段,随着碳中和项目中风能和太阳能大规模取代传统热电站后,电池做的储能电站的规模会是之前这十年的几百倍。可以想象,如果继续使用三元锂电池做储能,隔三差五就会有一个储能电站爆燃的新闻曝出。而且,今后储能电站的规模会越来越大,造成的损失会更严重。所以,必须采用更稳妥的电池。

在这个通知里,禁止的是三元锂电池和钠硫电池,但并没有禁止磷酸铁锂电池,因为它是一种相对不容易燃烧的电池。

但我们还是要注意,在过往 11 年的储能电站爆炸事故里,仍然有 2 次是磷酸铁锂电池造成的。所以,尽管当前磷酸铁锂电池没有在禁令里,但大概率说,只要标准再卡严一点,磷酸铁锂类型的储能电站也难有很大的发展。

从电池技术固有风险和政策禁令来说,只有在安全级别上比现有电池高出一大截的才能完全没有顾虑。

而钒电池就属于此类。我们刚刚说过它的工作原理,正负极是纯液体,这种液体是稀硫酸的水溶液,所以不存在燃烧爆炸的物质条件。钒电池最大的优势就是安全。

其他优势我也顺便提一下:

比如,电池的一致性非常好。

什么意思?你记得通知里要求“即便用了梯度利用电池,也要进行一致性筛选”这句吧?当电池个数超过几百个以后,一致性就非常重要了。

因为这几百个电池里,有 1 个内阻特别高,那里就会发热严重。但充放电控制芯片却是按照正常电流大小充放的。大家都没事,就它一个因为高温爆炸了,电池组就全毁了。或者没有这么严重,就它提前充满了,于是另外几百节电池在充电过程中就跟着它停了,结果大家只充到 70%,它已经 100% 了。这组电池就因为存在这么一个害群之马,始终有 30% 的电量一直用不上。这就是一致性不佳造成的损失。

但钒电池是一种非常灵活的电池,单节电池的容量需要多大呢?你说就可以了。我往大罐子里加液体嘛,100L 够不够?不够的话,50 立方米够不够?正极一个大罐子,负极一个大罐子,这就是一个巨型的电池单体,就一节电池,不存在一致性问题。

当然,也可以并联和串联,但总的来说,单体可以做得非常非常大,于是电池节数就可以做的很少,一致性问题就好解决。而锂离子电池,单体能做到几百瓦时就差不多了,否则正负极和薄膜卷起来之后的各种物理、化学特性,都没法维持均衡了。

钒电池的另一个优势就是寿命长。

钒电池是一个精巧的化学体系。你发现没有,正负极始终都是钒离子之间的液体变化,只不过离子的价态不同,没有新的物质生成,于是就没有正负极材料的损失。

而普通锂离子电池存在物质形态的变化,有些会永远变不回来,那就相当于容量损失了,也有些是永远无法从负极材料中脱身出来了,也相当于电池容量的损失。

但这些问题,钒电池都没有。钒电池的寿命大都受中间隔膜寿命的影响,隔膜性能下降以后,更换隔膜,再修复电解液,电池就能恢复如初。所以一旦建成以后,维护起来也更省心。

此外,钒电池还有一个优势就是,钒矿在中国非常丰富。

中国的钒矿探明储量占全球 40% 以上,年产量占全球 60% 以上,不存在某些关键材料在战乱国家产量不可控的问题。而且目前每年的产量也只占探明储量的几百分之一,具有可持续性。所以,它可以作为基础设置建设的主力材料。

 

钒电池的劣势

说完优势,说说劣势。

首先,就是正负极之间的那层隔膜的技术难点。

这层膜,目前只有杜邦和另外几家公司可以生成,中国自己开发的产品还有很大差距。

其次,初期建设费用高。

注意,是“初期建设费用高”,每度电的建设成本在 2000-6000 元人民币。咱们取一个中间数,4000 块钱一度电的储能建设成本。而采用磷酸铁锂电池的电站,初期建站时每度电的建设成本是 1000 块钱。

但注意,这个只是初期建设成本高。如果统计全寿命的话,钒电池储能电站的成本可能比磷酸铁锂电池类型的储能电站更低。原因就在于我们之前说的,钒电池寿命长。钒电池可以循环 15000 次到 20000 次,而磷酸铁锂电池只有 5000 次左右。所以,当我们把储能电站的运营时间拉长到 20 年时,成本其实就差不多了,钒电池的甚至可能更低。

而且,还有其他因素要考虑:钒电池的储能应用,最早出现在 2012 年,到今天也刚刚十年,它在 10 年前的成本是现在的 2.3 倍。如果照此速度发展下去,2032 年,钒电池的储能成本,尤其是全寿命下的成本,就不是和锂电池持平了,而是会明显低于锂电池储能的成本。

一旦这些劣势都解决了,很可能在未来 30 年内,中国会有接近一半的储能电站选择钒电池。这是一个非常庞大的市场。不过这一切都还是未知数,让我们拭目以待。

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