□ 赵佳亮
近日，四川省经济和信息化厅等6部门联合印发了《促进钒电池储能产业高质量发展的实施方案》。该方案是全国首个钒电池产业专项政策，标志着四川从钒资源大省向钒电池大省迈出了重要一步。
钒（化学符号为V）电池，全称全钒液流电池，主要利用钒离子的价态变化来实现电能的储存和释放。从工作原理上看，钒电池相比锂离子电池的最大不同在于导电离子主要为不同价态的钒离子。在充电时，正极的V4+失去电子成为V5+，负极的V3+得到电子成为V2+，放电时则相反。从结构上看，与锂电池的电解液集成在电池内部不同，钒电池的正负极两侧各有一个电解液储罐，通过循环泵输送至电池内部进行反应。
事实上，全钒液流电池只是液流电池家族的一个代表，从产品分类看，液流电池按照电解液体系的不同可分为全钒、锌铁、锌溴、铁铬等20多种技术路线，其核心都是通过不同电解液离子相互转化实现电能的储存和释放。
相比磷酸铁锂等新型电池，液流电池电极反应过程无相变发生，可以进行深度充放电，能耐受大电流充放。与其他电化学储能技术相比，液流电池最突出的特点有三个：首先自放电非常小，存放数天或数周后电量都不会衰减，这为长时储能提供了可能。其次循环寿命特别长，最低可以做到一万次，部分技术路线甚至可达到两万次以上，整体使用寿命可达20年或更长时间。更重要的是，钒电池能实现“瞬时即充”，因为电解液充满了整个电池组，所以运行过程中仅需0.02秒就可切换充放电状态，响应速度仅需1毫秒。
我国对钒电池的研究起步较早，目前已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。20世纪80年代末，北京大学和中国地质大学建立了全钒液流电池实验室模型。1995年，中国工程物理研究院研制出1千瓦的钒电池电堆样机。此后，更多研究机构开始从事钒电池的研发和商业化推广工作。2022 年10月31日，全球最大的全钒液流电池储能电站建成，并在辽宁大连并网发电，液流电池也从长时储能的“后备军”逐渐来到了台前。
目前，锂离子电池和抽水蓄能在储能市场的主导地位明显。但随着清洁能源规模不断发展，一套理想的低碳电力系统还需要一套多样化的长时储能解决方案，因此对于长时储能，即充放电时间超过6小时的技术越来越受到重视。
尽管全钒液流电池被寄予厚望，但仍有两个关键挑战亟待解决：一是技术难、能量密度低。液流电池中的一些重要部件，如为化学反应提供场所的双极板和离子交换膜，目前仍依赖进口，国产化难度较大。由于携带较大尺寸的电解液罐，液流电池系统能量密度仅有锂离子电池储能的1/10。二是液流电池初建投资成本高，通常是锂电池的两到三倍，其中反应电堆和电解液占比超七成。但是，随着使用时长的拉升，它的全生命周期成本优势逐渐显现。
在探索自主知识产权的技术路线方面，中国科学院院士赵天寿团队做了大量尝试，通过基础理论、关键材料与器件创新，大幅提高了液流电池性能，电流密度提高到主流水平的3倍以上，电解液利用率提高到80%，并可以在循环两万次后不出现显著衰减。新型液流电池性能的提升有望降低液流电池储能电站初投资成本25%以上，使液流电池的生命周期成本降低到可以商业化推广的水平。
随着技术突破，电堆等成本将不断下降，电解液几乎可完全回收利用，规模化后钒电降本空间广阔，钒电储能在注重安全性的中大型储能领域将大有可为。
（作者系远景科技集团工程师）