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已有“氢、锂、钠”,钒电池作何之用?

放大字体 缩小字体 发布日期:2022-08-15 16:00:42   浏览次数:37
核心提示:2022年08月15日关于已有“氢、锂、钠”,钒电池作何之用?的最新消息:本文系基于公开资料撰写,仅作为信息交流之用,不构成任何投资建议。新能源发展的一大主线就是技术进步。正因为如此,我们的研究报告,迄今从三元电池、磷酸铁锂电池、4680电池,到氢燃料电


本文系基于公开资料撰写,仅作为信息交流之用,不构成任何投资建议。

新能源发展的一大主线就是技术进步。正因为如此,我们的研究报告,迄今从三元电池磷酸铁锂电池、4680电池,到氢燃料电池,再到钠离子电池,基本做到了全域覆盖。锂、氢、钠三大类电池玩家已经相对清晰:不同类型的电池互为补充,共同推动着新能源革命大潮。

不过最近突然冒出了新玩家——钒电池,令不少投资者措手不及。

一是大家此前都没怎么听到过钒电池的消息,更不确定A股有没有纯正标的;二来,“凭空出现”的钒电池,跟“氢、锂、钠”都不是同族元素。新能源真是越来越卷,炒化学元素周期表都变成了随机游走。难怪大家调侃:“投资新能源还需要问问门捷列夫是怎么想的。”

一直以来,在新能源这条大赛道上,大家的投资视角始终围绕着“氢、锂、钠”:氢燃料电池什么时候规模化量产;特斯拉4680电池要来了、麒麟电池明年要上量;宁德时代发布钠离子电池。对于这陌生的钒电池,姑且算他是“黑科技”吧,等这波热度过去就好了。

其实不然,自19世纪60年代后期开始的第二次工业革命将人类带进电气时代以来,电力在人类社会变得不可或缺,而电池技术的发展也深度融入到历史进程当中。如今进入到能源革命时代,电池技术的研发和创新更是成为能源转型的胜负手。

本文作为的新能源系列篇,也是钒电池的开篇,将携手“氢、锂、钠”,认识钒电池的前世、今生和未来。

01钒电池是什么来路?

1.工作原理

钒电池,全称为全钒氧化还原液流电池。乍一看这长串的名字,是不是有点懵。别着急,我们按顺序一个个拆解。

第一,所谓全钒,按照字面意思理解,是因为电池的正负极都是钒。作为类比,磷酸铁锂电池正极是磷酸铁锂,负极是石墨;铅酸电池的正极是二氧化铅,负极为铅。

第二,氧化还原,这点大家好理解,即电池的基本原理。氧化还原反应的过程有电子得失,电子的移动就形成了电流。

第三,之所以叫液流电池,是因为正、负极均为液体。可以想象成正负极和电解液“合体”了,电池能量直接存储在液态的电解质中。当然,有“合”就有“分”,钒电池的电解液和电堆是分开的。

为了方便理解,我们回顾下锂电池锂电池的正负极之间是充满电解液,通过隔膜分开,电池能量主要储存在固体的电极材料中。这也是钒电池和锂电池最大的区别。

接着再看钒电池的工作过程。我们所熟悉的“摇椅式”锂电池的工作原理是锂离子在摇椅的两端(正极和负极)来回奔跑,即完成了充放电的过程。而钒电池并不“存在”正负极,不需要跑远了,只用在自家门前跑——正负极电解液各自按照既定路线流向电堆即完成充放电的过程。

图:全钒液流电池工作原理示意图;资料来源:百度,锦缎研究院整理绘制

2.钒电池结构特点

因为钒电池的电解液和电堆是相互独立的,电解液单独存放在外部的储罐中,另外由于电解液是无法单独流向电堆的,需要通过外部的泵和管路输送内部。

所以肉眼可见,钒电池就是个大块头。举个不是特别恰当的例子,如果锂电池是手机,那么钒电池就是座机。

常见的钒电池主要由两个装电解液的储罐、电堆、循环泵和管路组成。如果把储罐比作汽车的油箱,电堆就是发动机,储罐中的电解液通过循环泵不断输送到电堆内,电堆则负责充放电。

钒电池的另一大特点是设计灵活,可以按需组合、定制。你不同纠结大杯、中杯,还是超大杯。

展开来讲,钒电池的功率单元和容量单元是相互独立的“解耦设计”,储罐中的电解质决定电池容量,电堆的大小和数量决定电池的输出功率。也就是说,要增加电池容量,就相应增加电解液储罐数量;要提高输出功率,只要增加电堆的数量就可实现。是不是很像火车的设计?你想多拉乘客,就增加车厢数量;你想加大马力,那就换上大功率的火车头。

以融科储能的钒电池储能系统为例,功率250kW的钒电池系统由功率集装箱(20尺)、2个外置储罐、电池管理系统及管路等辅件构成。如果需要500kW的钒电池系统怎么办呢?将2个功率集装箱串联后,增加2个外置储罐,接入一台500kW变流器,即可实现。

以此类推,钒电池可以组合成更大规模电池组,其输出功率可达数百兆瓦,可以存放数十万度电。看到这里,是不是觉得钒电池也并不是“一无是处”。

图:融科储能500KW钒电池储能系统;资料来源:融科储能官网

3.钒电池的运行优势

1)安全性好

钒电池使用的正、负极电解液均为极不易燃的无机水溶液(后面章节会重点介绍),有多安全呢?即使正、负极电解液意外发生混合也不用担心。大家都是钒离子家族(正极电解液为5价钒和4价钒,负极电解液为3价钒和2价钒),不可能“大打出手”的。

那有人要问了,电池运行过程中温度过高怎么办?确实,和锂电池、钠离子电池等一样,钒电池在充放电过程中也会在产生热量。不过钒电池在充放电过程中,电解液是循环流动的,电堆内部产生的热量很容易就可以通过输送管路上的热交换器散热。

正因如此,钒电池的热管理系统成本也低,设计和维护方便。一般采取直冷或空冷的方式进行热管理,类似汽车发动机舱内的冷却系统。当电解液温度上升到一定程度时,冷却系统即启动,从而保持电池系统运行在最高效的温度区间。

2)电池一致性好

对于单个电池,比如手机内置电池或两轮电动车,不用过多考虑电池均一性,但如果是大量电池串联组成的电池包系统,电池一致性可就成为重要指标。

一般情况,一辆使用方形电池包的电动车上有一百多个电芯,而特斯拉用的圆柱电池更是有上千个电芯。随着电池充放电的运行,单个电池的内阻、荷电状态、温度等均会发生不同程度的变化,导致差异性逐渐变大,使得电池系统安全、可靠运行风险增大。所以锂电池企业也在制造过程不断提高电池在出厂时的一致性。

对于钒电池,电解质溶液始终是循环流动的,正负极电解液从各自的储罐容器中抽出,最后进入到电堆时自然具有相同的状态,天生就具备不错的一致性。

3)使用寿命长

先直接抛出结论,钒电池很长寿。具体是怎么实现的呢?因为钒电池的电解液在充放电时不像其它多数电池一样发生物相变化(注:不会生成新的物质,始终都是钒离子,只不过是不同价态),电池容量的损耗就很少,所以钒电池的寿命往往能超过十年。

期间当电池使用较长时间,其性能下降之后,可以通过修复电解液活性来恢复一定的性能。如果最后钒电池系统寿命到期,电解液还是不会浪费,既可以应用到新的电池系统中,也可以作为钒资源进行提纯加工,最终实现电解液的循环利用。

图:钒电池电解液的综合利用示意图;资料来源:融科储能官网

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