铁基电池:为长时间储能提供保证——2022年度全球十大突破性技术解读 (二)
  • 来源:科普时报
  • 作者:张新波
  • 2022-08-14 11:01

廉价、储能持久的铁基电池有望分摊可再生能源的供应压力,并扩大清洁能源的使用范围。


2021年4月,可再生能源打破了美国加利福尼亚州主电网的纪录,提供的电力足以满足94.5%的用户需求,这一时刻被誉为“低碳化道路上的一个里程碑”。

我们使用的可再生能源比以往任何时候都多,然而可再生能源带来的波动式电力,需用一种廉价且长时(数小时甚至数天)的储能电池来保存,以备日后使用,新型铁基电池有望胜任这一任务。

总部位于美国俄勒冈州的ESS公司的铁基电池可实现4至12小时的储能,并在2021年推出第一个电网规模项目。总部位于马萨诸塞州的Form Energy公司的铁基电池可储存电能长达100小时,在明尼苏达州安装了一兆瓦级别的储电工厂,预计2023年完成。这两家公司都选择使用铁基电池,意味着他们的产品最终可能比锂离子电池和钒系液流电池等其他储能电池更便宜。Form Energy公司表示,其电池最终成本可能仅为每千瓦时20美元,甚至低于未来几十年对锂离子电池成本的乐观预测。但铁基电池也存在一些技术挑战:效率通常较低,投入其中相当一部分能量无法被回收,副反应也会随着时间的推移而使电池退化。

铁基电池如果能以足够低的成本被广泛安装使用,可以为更多人提供来自可再生能源的电能。


专家点评


张新波(中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室主任)

未来在以可再生能源为主体的新型电力系统中,可再生能源的比例将超过50%,这必然要求储能设施具备十几个小时乃至几天的储能时长,以满足吉瓦级别的再生能源并网和长时间削峰填谷的需求。然而在目前储能电池技术水平下,锂离子电池储能时长以两小时居多,部分提升至三四小时,但要达到6小时及以上的储能时长则会面临成本和产品安全等方面诸多挑战。因此,低成本、长时储能电池的发展将成为电力系统转型的关键。

此次入选2022年“全球十大突破性技术”的水系铁基电池,是基于廉价和储量丰富的铁元素构筑,具有高安全性和环境友好等特征。其中,美国俄勒冈州ESS公司的铁基液流电池以氯化亚铁为正负极电解液,通过电解液中铁离子的氧化还原实现电能储存和释放,实现长达20000次的稳定循环。该铁基液流电池的储能活性物质与电极完全分开,功率和容量设计互相独立,便于模块组合设计和电池结构放置,其电网规模储能模块可实现4—12小时的能量储存。不同于铁基液流电池,Form Energy公司的铁—空气电池是一种静态电池,其基本原理是基于铁的可逆氧化(生锈),持续多达10000次循环。相比铁基液流电池,铁—空气电池的储能容量更大,可储存电能长达100小时,为电网提供超4天的电力,这种电池将使具有成本效益的“多日储能”成为可能。上述两种铁基电池在大规模储能方面均具有明显优势:超长循环寿命、高安全稳定性、可扩展性、低成本和绿色环保,可平衡可再生能源发电的波动式变化,实现低碳长时电网储能。

铁基长时电网储能电池的发展,可弥补锂离子电池的一些不足,以科技创新的方式将电力系统从化石燃料发电转变为可再生能源发电,有利于在全球范围内减少碳排放,实现低碳电网碳的发展和碳中和的终极目标。与其他储能技术的发展一样,长时储能电池从研发、示范、落地到规模化,一路必将面临产能、供应链、建设、运营等多方面的挑战,必须严格控制每一环的风险,才能实现既定的成本目标。

我国的长时电网储能技术以全钒液流电池为主,产业配套成熟,可支撑百兆瓦级储能项目的设计与开发。全钒液流电池系统的单瓦时成本已可控制在2—3元水平,具备了商业化应用的条件。然而全钒液流电池的低能量密度和钒高昂的价格,需要我们开发更具价格和能量密度优势的新型长时电网储能技术。

(文图来自国家自然科学基金委员会《中国科学基金》2022年第3期MIT Technology Review 2022年“全球十大突破性技术”解读,内容有删节)

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