這就是終極電網電池嗎？
全釩液流電池不僅容量大、壽命長，
而且具備不易起火的優勢。
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這家佔地面積超過20個足球場的工廠，是一家大型的未來工廠，廠內燈光明亮，機器轟鳴。一邊機器臂從容器中抓取零件並精確地放置，另一邊傳送帶平穩地把組裝好的產品運下生產線。這些成品在打包裝運之前，還要進入檢查站進行質量檢查，合格後才能出廠。
這家工廠又被稱為超級工廠，生產了大量的高性能電池。但它位於中國而不是美國內華達州，生產的電池也不是用於汽車，更不屬於埃隆?馬斯克的科技帝國。
這家工廠於2017年初在中國北方的港口城市大連成立，隸屬於大連融科儲能技術發展有限公司，致力於為世界上最大的幾個能源存儲設施提供電池系統。它的目標是在今年年底生產相當於300兆瓦功率的電池，並最終將年產量提升到3000兆瓦。
這個「另類」的超級工廠的規模已足以讓人印象深刻，而它的核心技術則更加引人注目。這家位於大連的工廠生產一種特殊的電池——全釩液流電池（VRFB），標誌著屬於這種電池的時代終於到來了。全釩液流電池早在幾十年之前就已被研發出來，但直到最近才嶄露頭角，成為大規模能量存儲的頭號種子選手。
它的能量存儲規模有多大呢？將全釩液流電池應用在電網規模中，它能夠存儲上億瓦時的能量。在具體應用過程中，這些電池可能會成為大型基本負載電廠的選擇，這些電場的生產成本相對便宜，但在用電高峰期間難以應對驟增的用電需求。此外，全釩液流電池還可以輔助可再生能源（比如風力發電廠）儲能，因為這種能源的能量產出並不總是與需求一致。和大多數電池一樣，全釩液流電池幾乎可以實現即刻供能，因此它們可以代替傳統方式來滿足高峰時段的需求；與之相比，燃燒化石燃料進行供能的電廠在運行維護方面則顯得成本高昂且效率低下。
也有人曾經提議將鋰離子電池用於電網規模的應用中，但是相比於全釩液流電池，它就遜色多了。全釩液流電池壽命更長，更便於擴容，可以晝夜不間斷運行，並且至少20年不會出現明顯的性能損失。
這項技術很快將成為全世界大型電池裝置的里程碑：大連正在建設一個規模為200兆瓦/800兆瓦時的儲電站。先期100兆瓦的儲電設施將於今年年底建成，餘下的將在2018年開始建設。儲電站的建立將能夠實現遼寧省電網的供需平衡，惠及該電網覆蓋的4000萬人口，並在不使用稀缺水資源的情況下發揮調峰電站的作用。此外，如果將電池使用在北方廣泛分布的風電場中，也就不必再燃燒任何化石燃料。一旦出現需求驟增或供給驟降，電池儲電站將會在幾毫秒時間內將其200兆瓦的裝機容量進行全部或部分輸出。
這樣一來，整合更多可再生能源的電網也將變得更加穩定。有時，遼寧省的風力發電量可以達到7吉瓦，佔到總發電量的約15%。但由於其他供電渠道已經滿足了需求，相當大的一部分風力發電都沒有被利用起來。今年年初，遼寧省被浪費的過剩風力發電佔比達到15%，其鄰省吉林更是高達30%。如果大連的儲電站將浪費的能量儲存起來，平均每月就將增加好幾百千兆瓦時的電量。
大連儲電站只是中國建造的幾個全釩液流電池設施之一，所以它不可能一直是世界上最大的電池儲電站。與此同時，其他國家也開始利用全釩液流電池儲能。根據美國能源部的全球能源存儲數據，自2014年以來，在11個國家已有超過30個全釩液流電池設施開始部署或建設；它們的裝機容量從幾十千瓦到200兆瓦（大連）不等。這些項目反映了人們對各種形式能源存儲興趣的與日俱增，不過推動全釩液流電池再次發展的是其重要的技術特性。
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當下最先進的全釩液流電池最初只是美國能源部下位於華盛頓的太平洋西北國家實驗室（PNNL）所進行的一個不起眼的研究項目。我帶領的太平洋西北國家實驗室團隊是在2007年成立的，那時世界石油價格正穩步提升，中國和印度的經濟正以兩位數的速度增長，而環保人士對這兩個國家（以及其他國家）消耗化石燃料的速度表示擔憂。美國那時候也逐步認識到風能和太陽能等間歇性可再生能源的潛能。
在這樣的背景下，我們決定尋找更好的方法來儲存可再生能源，促進其應用，同時提高電網的可靠性。我們團隊匯聚了該實驗室電力、材料、化學方面的頂級專家，以及擁有電力工程背景的知識產權律師彼得?克里斯蒂安森（Peter Christiansen）。彼得幫助我們集中精力於能夠產生最大社會影響的技術上。2009年，我們的團隊得到了美國能源部能源存儲項目的大力支持，年度研發預算提高到了1000萬美元。
起初，液流電池這個發展方向並不明晰。我們也一一審視了所有的電池技術，包括鋰離子、鈉硫電池、先進鉛酸、液流以及其他一些新概念。
和現在一樣，那時人們都曾把注意力集中在大功率鋰離子電池上。根據綠色技術調研和分析機構的統計，2015年到2016年美國部署的能源存儲系統90%以上都是鋰離子電池，並且如今情況也可能如此。經過幾十年來對電動車輛以及移動設備（比如筆記本、平板以及智能手機）的密集研究，這項技術得到了很大發展。比如應用在住宅和商業中能量存儲的特斯拉能量牆，其本質就是該公司電動汽車上應用的鋰離子電池。
但是對於我們面對的電網儲能應用來說，鋰離子電池存在嚴重的缺陷。為了讓電池組可以存儲兆瓦時級別的電量，需要成千甚至上百萬的鋰離子電池，並且不僅要針對每一個鋰離子電池進行單獨管理，還要對電池組進行集中管理。即便如此，鋰離子電池的供電周期也相對較短，一般只有2小時甚至更少。
為了製造續航力更持久的電池，製造商必須想辦法將電極變厚並用更具活性的封裝材料，或者安裝更多的鋰離子電池組，而這些都會提高成本。
鋰離子電池的性能隨著時間的推移也會下降，其壽命一般為10年左右。這對於家用汽車來說也許還可以，但是對於電網來說顯然不能滿足需求。並且鋰離子電池存在眾所周知的安全問題，最明顯的便是偶然爆炸或自發性起火。
我們也曾經考慮過鈉硫電池。這種電池曾一度被認為在公用事業規模設施的應用上有很大的前景，它需要在約300攝氏度的條件下運行，從而將鈉和硫液化，然後分別形成陰陽極。但是這種電池也存在易燃的問題。例如，2011年位於日本常總市的一家發電廠內的2兆瓦電池系統發生了火災，電池的製造商——日本礙子株式會社（NGK）召回了其產品並暫停生產。
相比而言，氧化還原液流電池（RFB）具備其他電池沒有的一些特徵。理論上講，氧化還原液流電池的容量可以輕而易舉地擴展到兆瓦時級別，在其較長的使用壽命中維持其性能，並且如果使用不易燃的材料製備，這種電池也更安全。鋰離子電池以及其他固態電池將電力或電荷存儲在由活性固體材料製成的電極中，相比之下，氧化還原液流電池更像是一種可逆的燃料電池：在放電過程中，電池將存儲在液體電解質中的化學能轉化為電能，充電過程則剛好相反。
每個液流電池單元都有陽極和陰極。根據電池的充放電過程，兩側電極會釋放或吸收外部電路流動的電子。兩極之間被一層只允許質子通過的薄膜隔開。在充電過程中，兩極之間的電壓使電解質（在薄薄的層狀網格間流動）中的每個釩離子在陽極側失去一個電子。自由電子通過外部電路到達陰極，完成電能存儲。在放電過程中，陰極積累的電子通過外部電路返回陽極，釋放存儲的電能。
第一批氧化還原液流電池是在20世紀70年代由勞倫斯?薩勒（Lawrence Thaller）和他在NASA的研究團隊研發出來的，當時是作為深空任務的可能能源。他們在陽極使用了鐵溶液，陰極使用了鉻溶液，但兩種不同的元素造成了交叉污染，因為鐵離子和鉻離子都會通過用於分隔兩種溶液的隔膜進行擴散。
在20世紀80年代中期，悉尼新南威爾士大學的瑪利亞?斯凱拉斯-卡扎克斯（Maria Skyllas-Kazacos）和她的團隊展示了一種改良版的氧化還原液流電池，他們在電池的兩極使用了同一種物質——釩，從而避免了污染。釩是一種銀灰色金屬，儲量豐富，與鈮元素和鉭元素同族，釩的開採點主要位於中國、俄羅斯、南非以及巴西。但是早期的全釩液流電池能量存儲能力並不強，每公升電解液僅存儲12到15瓦時電量。如果想要發揮實際效力，這種電池所佔的空間必然很大：一個1兆瓦/4兆瓦時的電池系統將需要相當於一兩個籃球場的面積。
還有一個問題是氧化釩很容易在電解液中析出，導致電池容量逐漸下降。雪上加霜的是，要想一直將釩保持液態，就意味著電池僅能在有限的溫度範圍內工作，大概為10～40攝氏度。增加溫度管理設備和其他控制電子設備會進一步降低電池的總效率，同時也會增加電池的尺寸和複雜性。
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儘管存在這些缺點，我在太平洋西北國家實驗室的團隊還是堅信這項技術擁有巨大潛力。因此我們決定研究新的電解液化學過程、薄膜以及原型。由全釩液流電池的發明者斯凱拉斯-卡扎克斯作為顧問，我們開始模擬和研究不同的電解質。我們在實驗室中測試了最有前景的材料並優化了它們的化學性能。
最終在2011年，我們成功研發出了一種與氯化物溶液發生反應的釩基電解質。和當時的全釩液流電池相比，這一看起來簡單的改變，有效地將電池的能量密度增加了1倍：因為更多的釩離子在電解質中保持穩定，所以在充電和放電的過程中就有更多可用的釩離子。
我們發明的新電池的體積為其前代電池的1/5到1/3，可以在更廣的環境溫度範圍（0～50攝氏度）內運行，而且不需要額外的溫度管理。我們還進行了其他的一些改進，使電池變得更加可靠，更容易操作，對電解液中雜質的包容度更高。
太平洋西北國家實驗室將這個突破性的電解質化學過程授權給3家美國公司，進行全釩液流電池的商業化，其中就包括2012年我參與創立的公司——UniEnergy Technologies（UET，位於華盛頓州馬克爾蒂奧）公司。在此後的5年里，UET公司成功提高了電池容量並部署了幾個兆瓦級別的現場試驗演示。我們將電池系統與船運集裝箱緊密貼合，從而更容易進行運輸和部署。
電池的成本也降低了：幾年前，4小時全釩液流電池系統的每千瓦時成本大概是800美元；現在的成本已經降低了約一半，與固定式鋰離子系統的成本差不多。但這不是同等條件的比較。如前面提到的，鋰離子電池就像其他固態電池一樣，容量會隨著時間的推移降低，壽命也更短。我們對全釩液流電池進行了超過1.4萬個周期的測試，每次測試都進行完全充放電，它們的容量仍然保持100%。這就意味著其壽命至少為20年。到目前為止，我們公司在全世界安裝了好幾個兆瓦級別的電池系統，另外還有一個200兆瓦的系統正處在洽談或簽約階段。
將來肯定還會有更多的公用事業公司選擇這項能源存儲技術。中國在這方面勁頭十足。去年中國發布了《電力發展「十三五」規劃》，旨在通過振興電氣基礎設施建設，到2020年實現風能和太陽能裝機容量達到300吉瓦以上。為了實現這個宏偉目標，中國高度重視能源存儲技術，尤其強調擴大全釩液流電池的規模。
與此同時，在美國加州、夏威夷州、馬薩諸塞州、紐約州和其他州，任務和政策與簡單的經濟學相互碰撞，促使公用事業部門以10年前無法想像的速度進行能源存儲設施部署。
隨著電力消費者期望電力鏈中的每一個環節——從發電、輸電到分配給終端用戶——都可以做到清潔、高效、可靠、靈活和價格實惠，能源存儲技術的應用前景將越來越廣闊。
作者：楊振國
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