□ 趙佳亮
近日，四川省經濟和信息化廳等6部門聯合印發了《促進釩電池儲能產業高質量發展的實施方案》。該方案是全國首個釩電池產業專項政策，標志著四川從釩資源大省向釩電池大省邁出了重要一步。
釩（化學符號為V）電池，全稱全釩液流電池，主要利用釩離子的價態變化來實現電能的儲存和釋放。從工作原理上看，釩電池相比鋰離子電池的最大不同在于導電離子主要為不同價態的釩離子。在充電時，正極的V4+失去電子成為V5+，負極的V3+得到電子成為V2+，放電時則相反。從結構上看，與鋰電池的電解液集成在電池內部不同，釩電池的正負極兩側各有一個電解液儲罐，通過循環泵輸送至電池內部進行反應。
事實上，全釩液流電池只是液流電池家族的一個代表，從產品分類看，液流電池按照電解液體系的不同可分為全釩、鋅鐵、鋅溴、鐵鉻等20多種技術路線，其核心都是通過不同電解液離子相互轉化實現電能的儲存和釋放。
相比磷酸鐵鋰等新型電池，液流電池電極反應過程無相變發生，可以進行深度充放電，能耐受大電流充放。與其他電化學儲能技術相比，液流電池最突出的特點有三個：首先自放電非常小，存放數天或數周后電量都不會衰減，這為長時儲能提供了可能。其次循環壽命特別長，最低可以做到一萬次，部分技術路線甚至可達到兩萬次以上，整體使用壽命可達20年或更長時間。更重要的是，釩電池能實現“瞬時即充”，因為電解液充滿了整個電池組，所以運行過程中僅需0.02秒就可切換充放電狀態，響應速度僅需1毫秒。
我國對釩電池的研究起步較早，目前已進入大規模商業示范運行和市場開拓階段。20世紀80年代末，北京大學和中國地質大學建立了全釩液流電池實驗室模型。1995年，中國工程物理研究院研制出1千瓦的釩電池電堆樣機。此后，更多研究機構開始從事釩電池的研發和商業化推廣工作。2022 年10月31日，全球最大的全釩液流電池儲能電站建成，并在遼寧大連并網發電，液流電池也從長時儲能的“后備軍”逐漸來到了臺前。
目前，鋰離子電池和抽水蓄能在儲能市場的主導地位明顯。但隨著清潔能源規模不斷發展，一套理想的低碳電力系統還需要一套多樣化的長時儲能解決方案，因此對于長時儲能，即充放電時間超過6小時的技術越來越受到重視。
盡管全釩液流電池被寄予厚望，但仍有兩個關鍵挑戰亟待解決：一是技術難、能量密度低。液流電池中的一些重要部件，如為化學反應提供場所的雙極板和離子交換膜，目前仍依賴進口，國產化難度較大。由于攜帶較大尺寸的電解液罐，液流電池系統能量密度僅有鋰離子電池儲能的1/10。二是液流電池初建投資成本高，通常是鋰電池的兩到三倍，其中反應電堆和電解液占比超七成。但是，隨著使用時長的拉升，它的全生命周期成本優勢逐漸顯現。
在探索自主知識產權的技術路線方面，中國科學院院士趙天壽團隊做了大量嘗試，通過基礎理論、關鍵材料與器件創新，大幅提高了液流電池性能，電流密度提高到主流水平的3倍以上，電解液利用率提高到80%，并可以在循環兩萬次后不出現顯著衰減。新型液流電池性能的提升有望降低液流電池儲能電站初投資成本25%以上，使液流電池的生命周期成本降低到可以商業化推廣的水平。
隨著技術突破，電堆等成本將不斷下降，電解液幾乎可完全回收利用，規模化后釩電降本空間廣闊，釩電儲能在注重安全性的中大型儲能領域將大有可為。
（作者系遠景科技集團工程師）
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