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发展储能技术推动绿色低碳转型 | 赵天寿院士

3060 · 公众号 · · 2024-12-13 11:30

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内容来源: 全球液流电池储能

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赵天寿中国科学院院士、南方科技大学讲席教授、

碳中和能源研究院院长、中国碳中和五十人论坛成员

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各位领导、各位嘉宾，大家好。今天我想跟大家分享《发展储能技术推动绿色低碳转型》，其主要分享的内容包括以下四点：一是能源绿色低碳转型进度落后预期，主要受制于新能源不可控性；二是发展高安全、长时储能技术是推动能源转型的关键；三是能否实现能量与功率的解耦是长时储能的要素；四是能否实现能量与功率的解耦是长时储能的要素。

Part/ 01

实现碳中和根本在于能源转型

实现“双碳”目标，尤其是碳中和，是中国可持续发展战略的核心，关键在于能源转型。要从目前以化石能源为主导的结构，逐步过渡到以太阳能和风能为主的结构。当前，太阳能和风能的占比仅为5%，但到2060年这一比例需超过60%才能确保碳中和的实现。尽管中国在光伏和风能技术发展及装机容量提升上取得了显著进展，但仍面临诸多挑战，如化石能源的比例下降缓慢、节能减排压力加大等。同时， 风能和太阳能的间歇性与不稳定性也使得弃风弃光现象增加，解决这一问题的关键在于储能技术 。储能技术能平衡能源波动，提高实际的运用水平。储能已成为新型能源体系必备环节，在源网荷三侧发挥重要作用。

Part/ 02

储能的三大要求与技术挑战

在实现碳中和目标过程中，大型储能技术至关重要。不同于手机或动力电池，兆瓦级或更大规模的储能系统需要满足三大核心要求： 安全可靠、经济可行、资源可及 。安全性至关重要，任何大型储能装置的故障都可能带来灾难性后果。经济可行性则取决于成本、能量转换效率及循环寿命等因素。此外，储能装置所需材料需资源丰富，且安装不应受过多自然条件的限制。随着风能和太阳能比例的提升，长时储能技术变得愈加重要。相比目前的锂电池储能（通常仅2-4小时）， 长时储能能够跨天或跨季节调节能源供需，适应风光电波动，确保能源平衡。 目前，主流储能依赖于抽水蓄能、锂电池及少量的压缩空气技术，虽然装机容量增长迅速，已达到31.4GW，但利用率仅为9%，表明储能技术在实际应用中的效率仍有待提高，尤其是长时储能技术的发展面临严峻挑战。

Part/ 03

长时储能要素：实现容量与功率的解耦

当前三种主要的长时储能技术——抽水蓄能、压缩空气和锂离子电池各具优势和局限。 抽水蓄能 的能量载体是水，其功率和容量的解耦使其在长时储能中表现出色，且具备高效率和长寿命。然而，其受限于地理条件，如需要具备水源和落差。 压缩空气储能 同样利用流体作为能量载体，扩容灵活，适合长时储能，但效率较低，并且需要大空间或特殊地质结构来储存高压空气。相比之下， 锂电池 具有高能量密度和地域不受限的优点，但由于固态能量载体，扩容会引发成本和安全问题，时长也受限。为解决这些问题，流体电池系统成为理想的长时储能技术。 流体电池 利用可流动的能量载体（如氢气、甲醇、氨或电解液），结合燃料电池或电解质等能量转换装置，实现能量与功率的解耦。该技术不仅时长灵活，扩容简单，且在选址上具备较高的灵活性，有望成为未来长时储能的核心方案。

Part/04

液流电池的优势与技术突破

液流电池是区别于传统锂电池的储能技术，其能量和功率通过不同的部件独立实现，因而具备容量和功率解耦的优势。这一特性使液流电池在 安全性、时长灵活性以及长寿命方面表现优异，特别适合于多种应用场景。

液流电池原理

液流电池的安全性来源于其水系材料，避免了火灾等风险，适合于安全要求较高的环境。液流电池的关键技术突破包括隔膜的离子导电性与选择性的平衡、电极材料的高活性以及新型电极结构的设计，确保了电化学反应速度快且能耗低。通过这些技术突破，液流电池的循环寿命超过2.2万次，远高于传统储能技术。此外，液流电池的经济性也在不断提升，一方面随着电流密度的提高和电解液效率的提升，其成本有望显著降低，另一方面，液流电池的电解液材料可回收，进一步降低了全生命周期的成本。因此，液流电池凭借其安全、长寿命和成本竞争力，有望在大型储能设施中占据重要位置，成为抽水蓄能和锂电池的有力替代方案。

过去20多年，我们国家新能源技术的发展，主要在光伏和风机，进步非常的快，在国际上领先的，这是非常令人振奋的一个事情。同时必须注意到新能源的高质量发展是离不开储能的，目前的储能技术是滞后的，所以必须发展储能技术，这样才能使我们有信心迈向碳中和时代。谢谢大家！

液流电池生产商正紧锣密鼓地推进扩产计划。

据巅峰统计，截至2024年8月，全国已签约、在建、已投产的液流电池生产制造项目共有70个，分属41家液流电池相关制造商，技术路线涉及全钒液流电池、锌铁液流电池、铁铬液流电池、硫铁液流电池等。

那么，建设一条高效、先进的液流电池生产线，都需要哪些关键设备？

电堆组装的工艺流程

液流电池电堆组装的工艺流程是一个复杂且精细的过程，涉及多个步骤和组件的准备与处理。

▲电堆生产工艺流程图

在组装液流电池电堆之前，需要对各个组件进行准备和预处理。以下是主要的组件及其处理过程：

电极裁剪：电极通常由碳纤维或石墨制成，具有高导电性和化学稳定性，需要根据设计要求进行裁剪。

隔膜裁剪：离子交换膜用于隔离正负电解液，同时允许离子通过，需精确裁剪以匹配电堆尺寸。

双极板裁剪：设计用于均匀分布电解液，通过特殊设计的沟槽或孔实现，裁剪时需确保尺寸精确。

其他组件加工：包括集流体、液流框、绝缘板、盖片、金属端板、密封件、进出液板等，均需进行加工或注塑成型，以满足电堆组装要求。

在关键材料制备完成的条件下，即可组装电堆。

首先，通过激光焊接将双极板、隔膜各自通过激光焊接熔敷一体化实现密封效果，成为双极板密封件、隔膜密封件。

其后，再通过堆叠、紧固封装，将密封后的双极板密封件、隔膜密封件等部件，按照要求的数量和顺序堆叠，压紧密封后用螺栓紧固，这样一来，电堆的组装便完成了。

将紧固的电堆经过测试仪器设备进行气密性测试，其中不合格的产品就回到激光焊接工序重新进行密封，合格品则进入下一道工序——对密封组装好的单电堆进行充放电性能测试。

需要注意的是，在液流电池充放电性能测试中，应保证测试环境的稳定、充放电截止一致、电解液状态一致。

液流电池生产线主要设备

根据电堆组装的工艺流程，涉及的主要设备包括电堆自动化组装线、板框/膜框切焊一体自动激光焊接设备；气密性自动检测设备；流道盖板自动焊接机；密封件自动预置机；电极自动裁切检测装置；电极自动预置机；MES产线自动化管理系统等。以上设备可串联完成整条工艺流程，亦可单独工作，满足单一部件的制备要求。

电堆自动化组装线：

该设备应满足按照不同电堆结构的组装要求和步骤，通过电池材料的自动化堆叠、运输、油压机加压压紧、紧固件锁紧、气密性检测，组装出电堆合格品。

板框/膜框切焊一体自动激光焊接设备：

主要用于液流电池中关键材料的切割与焊接，使之成为整体部件，具体包括：离子传导膜的切割、离子传导膜的气密性检测、离子传导膜与电极框之间的激光焊接、电极框与电极框之间的激光焊接以及双极板与电极框之间的激光焊接。

气密性自动检测设备：

该设备用于对电极框与离子传导膜焊接之后的膜框一体件进行气密检测，测试激光焊接质量。亦可对于电极框-离子传导膜-电极框三者焊接之后的膜框一体件进行气密性检测，不仅检测离子传导膜与电极框之间的激光焊接质量，也可以检测电极框与电极框之间的焊接质量。

流道盖板自动焊接机：

设备用于将流道盖板焊接于板框一体件合格品和膜框一体件合格品上的流道盖板沟槽内，焊接完成后流道盖板与一体件表面成为一个平面，内部构建完整的电解液分配流道。

密封件自动预置机：

将橡胶密封件粘接方式固定于板框一体件合格品和膜框一体件合格品上的密封槽内。设备应满足自动化点胶过程，并通过专用工作台方便人工安装密封件。

电极自动裁切检测装置：

该设备可将来料的电极卷材按照要求裁剪成不同的形状的电极片材，并进行多点厚度检测、电阻检测和称重检测，自动分拣出合格品和NG品。

电极自动预置机：

该设备用于将电极合格品粘接于膜框一体件合格品的正、反两侧的框体中央的凹槽内。

MES产线自动化管理系统：

专注于生产过程的实时监控和管理，通过与各种生产设备、传感器及自动化系统的紧密集成，能够全面采集生产数据，实时追踪生产进度。

多家企业闻风入局

液流电池储能市场火起来了，液流电池生产线制造商的春天接踵而至。

据巅峰统计，目前国内已有20余家液流电池整线及生产线关联设备厂商，多集中在江苏省和广东省。

液流电池生产线正从半自动、手动走向全自动，未来终端对于自动化、智能化产线的建设需求将越来越旺盛。而自动化、智能化生产也是当前液流电池技术迭代、持续降本和规模化应用的关键之一。

液流电池的生产制造涉及材料、工艺、化学工程、自动化控制、电力电子技术等多方面应用，需要产业、技术、人才、资本等多方面共同推进，预计未来将有更多储能应用环节的设备企业（如自动化、激光焊接、电力电子背景等）转型或进入液流电池赛道。

大连融科VPower 500kW单元储能模块

液流电池系统设计的6大要点

液流电池系统规模一般指的是功率、容量，其性能通过能量转换效率来衡量。液流电池系统由多个电堆在电路上通过串联、并联或者串并联相结合的方式构建电路电压，达到一定功率，满足应用需求。

液流电池构建电路电压比较灵活，可以满足不同等级的应用要求，电路电压等级一般包括48V、110V、220V和380V等。液流电池系统容量与功率独立设计，与其他储能电池相比，容量设置相对灵活，不受储能电池功率的影响，通过增减电解液的体积就可以实现液流电池系统容量的变化。

液流电池系统能量转换效率为放电容量与充电容量的比值，主要受电堆能量转换效率、漏电电流损耗和成组效应等因素的影响。能量效率越高，充放电能量损失越小。

一、运行控制参数

(1) 充放电截止电压液流电池的适宜电压范围为1.0~1.6V，尤其是充电截止电压上限必须得到严格控制，否则会增加析氢等副反应发生的概率。

(2) 电解质溶液温度液流电池电解质溶液的运行温度范围一般为0~40℃，适宜的运行温度为20~40℃。超过运行温度上限，容易引起电解质溶液五价钒的析出，造成管路堵塞，严重影响液流电池系统的使用；电解质溶液温度低于运行温度，容易引起负极电解质溶液中的V2+生成沉淀而析出。

国家能源行业液流电池标准《通用技术条件报批稿》规定，液流电池电堆的能量转化效率不低于75%，根据能量守恒定律，能量损失大部分以热量的形式释放，热量使得电解质溶液温度不断升高自然散热已经不能满足热量排放的需要，必须采用强制散热的方式，使电解质溶液的温度保持在最佳运行温度范围内。

二、电解质溶液充电状态及其控制

液流电池电解质溶液的充电状态称为SOC(stateofcharge)，充电状态可实时监测是液流电池的重要特点，这对提高液流电池系统的稳定性、可靠性及跟踪计划发电极为重要。

在液流电池系统中，通常都专门配有监控电解质溶液充电(荷电)状态的电池，一般称为SOC电池。电解质溶液SOC电池与组成电堆的单体电池结构一致，只是尺寸较小，电极面积一般为5~100cm²。

SOC电池接入电解液循环管道，从储罐流经电堆的电解液同时流经SOC电池，此时SOC电池正、负极两端不加外部电源，产生的电压为开路电压(open circuit voltage)。

开路电压反映了正、负极电解液不同价态离子的变化，可通过质量守恒定律和法拉第定律获得液流电池的荷电状态。一般液流电池的SOC状态(0~100%)所对应的开路电压的范围是1.2~1.5V。SOC电池正、负极两端预留开路电压监测接线端，液流电池管理系统对开路电压实时监测，从而保证液流电池按照设定的SOC状态进行工作。

SOC电池结构如图6-23所示。

发展储能技术推动绿色低碳转型 | 赵天寿院士

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