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液流电池能否与锂电池竞争?

作者:中国储能网新闻中心 来源:DNVGL能源 发布时间:2019-02-16 浏览:
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中国储能网讯:据说,液流电池与锂电池相比,具有更低的退化性、更高的安全性和更长的续航能力。DNV GL与许多不同的液流电池制造商合作,了解他们不同的设计,化学成分和集成策略以及它们与其他电池类型的比较。让我们带着你深入了解这些观点背后的原因。再看看是否有证据支持这些观点。

液流电池概述

液流电池是一种利用某些元素(通常是金属)氧化状态下的能量差异来储存或释放能量的电化学转换装置。不同类别的液流电池具有不同的化学成分,包括最常用的钒以及不常用的锌-溴、多硫化物-溴、铁-铬和铁-铁。液流电池分为三类:最常见的氧化还原液流电池、混合液流电池和无膜液流电池。

液流电池与锂电池区别

与锂电池不同,液流电池的液体电解质储存在外部储罐中,而不是储存在每个电池单元中(见图)。由于携带能量的电解质与发电堆在物理上是分开的,因此液流电池的能量和功率也是分开的。

液流电池还可以在放电后为电解液充电,且电解液通过同时流过所有电池和电池堆来充电和放电,因此每个电池都处于一种共同的充电状态(SoC),而不是许多单独的充电状态。这反过来,意味着不需要单元和堆栈平衡。

关于液流电池的观点

观点 1

液流电池制造商声称,依赖于吞吐量的退化是非常低的,相比于退化速度更快的锂电池而言,液流电池具有明显优势。

DNV GL 见解:

DNV GL 测试实验室已经证实了锂电池退化的最大因素是能量吞吐量(通常由循环次数定义)。DNV GL 的电池测试实验室尚未确认的是液流电池系统的退化率,不过测试仍在进行中。由多个液流电池制造商提供的测试数据表明,液流电池退化程度低于锂电池的退化。

观点 2

液流电池中依赖时间变化的退化(日历衰减)接近于零。

DNV GL 见解:

一些液流电池制造商设计了堆栈,以便在空闲时间自动排出电解液,从而显着减少与电解质和电极之间不必要的化学反应产生的随时间变化的退化。然而,并非所有的液流电池都具有此功能,并且耗尽的电池不能用于任何站点负载。

观点 3

液流电池可以在不增加其功率输出(kW)的情况下增加其能量输出(kWh),这在锂电池中是不可能做到的,且在长时间(即多小时)应用中节省了大量成本。

DNV GL 见解:

所有液流电池均具有能量(电解质)和电池电量(堆栈)解耦,允许在给定功率(kW)下定制能量容量(kWh)。但大多数液流电池制造商只提供一些离散的油箱尺寸选择,而不是无限制的扩展。此外,大于4-6小时的长期应用尚未证明其具有经济优势。

观点 4

液流电池的火灾风险低于锂电池。

DNV GL 见解:

由于液流电池的非易燃电解质主要由水组成,因此热失控或火灾的风险非常低。尽管 DNV GL 只对锂电池进行了燃烧测试,而不是用液流电池来证实这一理论,但这可能会防止锂电池装置中出现的灾难性故障。

观点 5

液流电池比锂电池更安全。

DNV GL 见解:

一些液流电池制造商/化学公司在不影响电池的长期性能下,维护期间将电池放电至0伏(直流电),从而更安全地维护电池组。这在锂电池中是不可能的,因为它无法在不会永久损坏电池的情况下放电至0伏。即使在充电时,液流电池也有较低的弧闪风险,因为堆栈的直流工作电压很低,通常小于100伏。然而,这种特性在一些锂电池系统中也是如此,这些系统在堆栈中以类似的低电压工作,并加入dc-dc转换器以实现更高的逆变器输入电压。

观点 6

与锂电池相比,液流电池具有更简单的监控和控制,以及更少的退化,因为不需要电池到电池或堆栈到堆栈的平衡。

DNV GL 见解:

在氧化还原液流电池中的确不需要电池/堆栈平衡的要求,因为在集合SoC的所有电池/堆栈之间有共同的正负电解质,这意味着在单元和堆栈层面上,不需要监测和控制要求来平衡SoC。然而,混合液流电池在电池的一侧有金属电镀,这类似于锂电池电镀,因此需要电池和堆栈平衡。

观点 7

与锂电池相比,液流电池对SoC测量更精确,使得电池的工作范围更广,退化更少。

DNV GL 见解:

一些液流电池制造商使用参考调用来连续直接的测量开路电压,即使是堆栈处于负载时。相比锂电池使用的推断方法,这提供了一种更为精确和连续的SoC计算方法,可以在负载下测量电压和电流。但 DNV GL 没有看到任何将性能或退化与改进的SoC测量技术相关联的数据或出版物。

观点 8

液流电池具有复杂的平衡装置,需要泵,管道和用于电解质管理的电解液槽,这增加了资金成本和运营及维护要求。

DNV GL 见解:

液流电池确实需要额外的设备平衡才能运行,尽管液冷锂电池系统需要带有泵,管道和冷却剂储存器的流体系统进行热管理。DNV GL 尚未对锂电池和液流电池系统之间的故障率或物料清单成本比较进行详细评估,以量化这些差异。

观点 9

液流电池系统质量相对较高,这意味着它们对于固定应用更具吸引力,其中锂离子系统用途更为广泛。

DNV GL 见解:

这似乎是对的,液流电池系统重力能量密度平均低于锂离子系统。

观点 10

液流电池的直流往返效率(RTE)低于锂电池系统。

DNV GL 见解:

液流电池RTE比领先的锂电池制造商的直流RTE低5%-10%,但考虑到所有寄生负载时,交流RTE是可以比较的。 DNV GL 正在对液流电池和锂电池进行持续测试,这将对这一观点提供更独立的见解。

观点 11

液流电池在市场渗透和市场多样性方面,远落后于锂电池。

DNV GL 见解:

锂电池在能源存储市场中占据主导地位,具有更高的市场份额,并被融入到更广泛的商业产品中。以后可能会出现有利于液流电池属性的市场机会,但锂电池也将竞争扩展到未来的应用领域。

除了上述内容,还有一个额外考虑的因素,并非所有的液流电池技术都是平等的。基于钒的技术是最成熟的,许多其他技术的发展远远不够,几乎没有数据可言。不同的设计和电解质化学也可能影响性能。

此外,某些液流电池制造商将重点放在可制造性设计上,最大限度地缩短了安装时间,减少了运营和维护,并与风能和太阳能等可再生资源相结合,这可能会让它们在系统前期和生命周期内获得成本优势。

结论

回到最初的问题,液流电池的退化程度是否低于锂电池?在某些情况下看来,他们确实是的,只要它们的设计和操作方式可以最大限度地减少其他退化因素(但需要更多年的数据才能证明这一点)。

他们更安全吗?这似乎也是正确的,因为灾难性的液流电池故障不太可能导致在锂离子故障中出现的相关有毒气体及引发危险的火灾,但DNV GL 从未对此进行过测试。然而,在液流电池中管理所有液体电解质要困难得多,如果不适当加以控制就会泄漏,这在锂电池系统中并不常见。

液流电池是否适用于长时间使用(> 6小时)?答案仍有争议。通过添加更多电池,锂电池系统可以运行更长的时间(如果需要,可以增加更多功率的好处),因此可以归结为成本比较,只有时间才能说明液流电池是否能够跟上锂电池的成本迅速下降的速度。

最后要说的是,许多液流电池行业的从业者近期都遇到了困难,包括Imergy,Aquion和ViZn,很可能只有少数公司能够充分利用液流电池的潜在优势。无论是审查业绩历史,设计细节,公司领导还是财务状况,DNV GL 都能够帮助识别风险并引导设计考虑因素,从而做出有关这一新兴技术最明智的决策。

关键字:锂电池 储能电池

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