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钒电池:储能时代新风口,大连储能电站即将投入使用

我们来关注储能领域的消息。最近,大连液流电池储能电站正在进行最后的调试工作,将在9月底正式投入运行。储能电站是干什么用的呢?它可以作为城市备用电源,在电网发生故障时作为紧急供电,给医院、应急部门、通信设施、救援设施使用。另外,储能电站也可以用作“黑启动”电源,也就是在电网出现故障时,用它来驱动电网中的火电机组,恢复电网供电。

我想特别提醒你关注的是,大连储能电站使用的不是最常见的锂离子电池,也不是传统的铅蓄电池,而是一种新的技术——全钒液流电池,也可以直接叫钒电池。钒是一种稀有金属,全钒液流电池的原理是,不同价态的钒离子,在电解液中发生氧化还原反应,从而实现充放电。这座大连储能电站,是目前全球规模最大的全钒液流电池储能电站。

消息就是这样,来看看能学到什么知识。

你知道,目前的新能源电池赛道,主要有三类技术路线:锂离子电池、钠离子电池和氢燃料电池。市场关心的话题也都集中在这三类,比如特斯拉的4680锂离子电池究竟怎么样,宁德时代的钠离子电池前景如何,氢燃料电池什么时候量产,等等。

不过就在最近,一个新玩家横空出世,就是我们刚才提到的钒电池。不光有新项目落地,各种重磅文件当中也都有提到,比如今年发布的《“十四五”新型储能发展实施方案》《科技支撑碳达峰碳中和实施方案》等等。相应地,资本市场也在不断升温,7月以来,钒电池概念股集体上涨。

你可能跟我一样疑惑了,锂、氢、钠还没搞清楚,怎么又来一个新元素?说起来,钒电池技术并不新。钒电池是在1993年实现商业应用的,而锂电池的商业化是在1991年。也就是说,它们进入商业化应用的时间是前后脚,属于“同一辈”的技术。但是为什么从那之后,锂电池大火特火,成为新能源赛道的主流技术,而钒电池却被打入冷宫,没几个人知道呢?

钒电池只能怪自己生不逢时。随后爆发的应用场景,恰好有利于锂电池,而不利于钒电池。这30年电池技术的最大应用场景是电子设备和电动车,它们对电池的要求是体积越小越好,这是锂电池的长项,却恰恰是钒电池的致命弱点。

锂电池的电池能量主要储存在固态的电极材料中,而钒电池的电池能量直接存储在罐装电解液中。液体本身就比固体更占地方,再加上,电解液的外部还有两个结构,输送泵和电堆,这样一套组合才能完成充放电,所以钒电池的块头特别大。

钒电池在体积上处于天然劣势,那么,想办法增加能量密度行不行呢?也不行。钒离子的溶解度比较低,电解液无法达到理想中的高浓度。现在锂电池的能量密度在每千克80—300瓦时,钒电池的能量密度只有每千克12—40瓦时,要存储相同的电量,钒电池的体积得是锂电池的5倍。在电池体积越小越好的应用场景里,光是这一项就把钒电池踢出了局。

而现在,被“打入冷宫”的钒电池重见天日,成为各方热捧的香饽饽。怎么回事?

我们在第314期节目当中说过,并不存在“过时”的技术,只有尚未找到的应用场景。钒电池苦等30年,终于等到了属于它的应用场景,就是储能时代的到来。在“双碳”目标之下,储能需求爆发,各地都在建储能电站。储能电站有的是空间,钒电池的块儿大在这儿不算是硬伤,而它相比锂电池的几大优点,让它成为储能电池的最佳选择。

钒电池的第一个优势是安全。

我们经常会听到电动车自燃的新闻,这主要是因为锂电池有一个bug,充放电过量、短路、挤压等等,都可能导致电池过热,发生意外事故。据统计,过去10年间全球至少发生了34起储能电站起火、爆炸事故,其中32起是锂电池事故。而钒电池呢,正负极电解液都是不易燃的,常温常压运行,不会发生燃烧和爆炸。

今年6月份,国家能源局发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求》,明确提出中大型电化学储能电站不能使用三元锂电池,不宜选用新能源车淘汰下来的动力电池,这个市场就正好可以留给安全可靠的钒电池。

钒电池的第二个优点是寿命长。

我们知道,锂电池的充放电次数有限,一般在1000—4500次。每次充放电过程中,锂电池除了化学能转化,还会产生物理形变,当电解质完全变成固态,锂电池就作废了。而钒电池在使用中不会发生物理变化,电池容量的损耗很少。就算电池使用太久,性能下降了,也可以通过修复电解液活性来恢复性能。钒电池的寿命往往在10年以上,可以充放电15000次以上,超过锂电池的3倍。我们开头提到的那个大连储能电站,钒电池的充放次数可以超过2万次。

这样算下来,虽然当前钒电池的初装成本是锂电池的2倍,但如果放到全生命周期来看,钒电池的成本已经低于锂电池。

钒电池的第三个优点是容易扩容。

锂电池的电池组由大量单个电池组成,随着充放电的进行,单个电池的内阻、荷电状态、温度等会发生不同程度的变化,每个电池的情况不一样,这对大规模部署提出了很高的技术要求。而钒电池的电解液和电堆是相互独立的,虽然比较占地方,但这种“解耦设计”却很适合发展大规模电池组。只要增加电解液就能增加电池容量,增加电堆就能提高输出功率。钒电池能方便地合成大规模电池组,存放电量达到十万度级别。

钒电池的第四个优点,是在我国的储量大,原料自主可控。

全球锂资源中,约有超过一半在南美洲的“锂三角区”,中国锂资源储量只占全球总储量的7%,我国的锂资源高度依赖进口。而目前全球探明的钒矿储量为2400万吨,其中,中国的储量是950万吨,占40%,位居世界第一。钒电池,我们可以实现原料的自主可控。

你看,安全高、寿命长、易扩展、储量大,这让钒电池在储能场景中完胜锂电池。

当然,在过去30年电池发展的惯性下,之前的储能电站还是更多选择锂电池,目前在全国装机规模中锂电池占了90%。不过,钒电池的最好时代已经到来。有国外机构预测,2031年前后,储能市场上的钒电池装机量会超过锂电池。国内也有机构预测,到2030年,钒电池的装机容量会占到电化学储能的50%。站在能源革命的视角,不同电池技术之间没有“颠覆”,只有“共生”。

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