开发全钒液流电池

始于1980年代的全钒液流电池开发

1974年,美国航空航天局率先提出了液流电池的原理。同一时期,日本产业技术综合研究所(产总研)*1也开始了基础研究。1980年左右,随着空调在日本普及,昼夜间电力需求差异成为了一大课题。人们想到的对策是“负荷标准化”,即在夜间储存剩余电力,以供白天的电力消耗。此外,日本还启动了国家项目“月光计划”,着手开发包括全钒液流电池在内的4种新型储能电池,用于储存电力。该时期,住友电工为摆脱过度依赖电缆的事业体质,开始摸索新的事业主题。其中之一便是电力储存用电池。因为住友电工认为除发电和输电外,将来蓄电也会变得不可或缺。随后,面临“材料”开发课题的全钒液流电池被采纳为新开发主题。当时的新人――重松敏夫被提拔为其开发负责人。那时是1982年。

研究员 新领域技术研究所 兼 电力系统研发中心 总技师长 重松敏夫
研究员 新领域技术研究所 兼 电力系统研发中心 总技师长 重松敏夫

“本集团没有开发电池的经验,完全是外行。项目在摸索中起步。同一时期,关西电力株式会社也将全钒液流电池选为研究对象,开始与本集团共同推进研发。当时我们选择了铁铬电解液,有样学样地从试制迷你电池单体(电极面积10㎝²)开始摸索。在尝试扩大试制品规模时,出现了漏液和性能不足等问题。1989年,虽然试制出了60kW(电极面积3000㎝²)电池单体,但产生的氢气导致电池容量下降,无法维持长期性能。在那个阶段,我们不得不面对‘难以实用化’的现实。”(重松)

但重松等开发团队成员并未就此气馁。大家转而考虑采用澳洲某大学提案的钒类电解液。实施试验后,此前积累的电池单体材料技术也派上了用场,迅速得出了成果。与铁铬电解液相比,采用钒类电解液时的电动势达到1.4倍,功率达到2倍,能源密度也达到3倍左右,生成的氢气也大幅减少。团队成员们看到了事业化的曙光。

*1 当时为电子技术综合研究所

引进事例:比利时/John Cockerill公司(2019年)
引进事例:比利时/John Cockerill公司(2019年)
引进事例:摩洛哥/UNIDO摩洛哥项目(2019年)
引进事例:摩洛哥/UNIDO摩洛哥项目(2019年)

重获新生的项目

随着时代的变化,20世纪90年代后期,随着电力自由化的进展,电费也出现了下降。电力公司改变了方针,即从有效应用深夜电力的观点出发,在客户处设置储能电池并出售低价深夜电力。针对这样的需求,住友电工从2001年开始向大学和工厂供应全钒液流电池产品。但重松等团队成员的期望落空了。当时的全钒液流电池并不耐用,使用一段时间后,就会接二连三地出现电解液泄漏等故障。由于该问题难以解决,2005年,管理层决定退出全钒液流电池业务。随后,排除故障成为了工作重心。

转折点出现在2009年。美国提出了绿色新政,通过可再生能源进行蓄电的大容量电池在市场上的需求逐步凸显。在日本国内,引进可再生能源的时机也已成熟。住友电工在开展设备撤除等善后工作的同时,致力于查明以往故障的原因并探讨对策。RF电池开发部长山西克也认为“时机已成熟”。

能源系统事业开发部 RF电池开发部长 山西克也
能源系统事业开发部 RF电池开发部长 山西克也

“我们对于退出全钒液流电池业务感到无比不甘。但在能源所处环境出现巨变的背景之下,我们不断向管理层提案,即重新开展全钒液流电池业务将切实促进住友电工的事业扩大。最终在2009年时,全钒液流电池业务重新启动并开始正式研发。最大的主题是如何维持电池堆的长期可靠性。除了完全排除漏液故障外,为最大限度发挥性能,我们推进了相关材料的开发。”(山西)

组装电池堆时的情形
组装电池堆时的情形
细致检查电池堆成品
细致检查电池堆成品

为实现更大功率而开发新电解液

2012年,横滨制作所构建起了1000kW级别的试验系统,开始实施开发技术检验试验。该设备收获了诸多反响,在与市场沟通的过程中也大显身手。2015年,接受日本资源能源厅的补助后,北海道电力株式会社(以下简称“北海道电力”)开始实施大规模实证实验,与日本国立研究开发法人新能源与产业技术综合开发机构(New Energy and Industrial Technology Development Organization,以下简称“NEDO”)一同在美国加州开展了实证事业,北海道电网株式会社(以下简称“北海道电网”)采用了全钒液流电池设备。

另一方面,向全钒液流电池发起的果敢挑战已持续至今。最大的课题在于如何实现令顾客满意的价格。作为削减成本的举措,团队成员向大功率化、高能密度化以及开发低价电解液发起了挑战。

削减成本的重点要素在于“大功率化”。其关键在于电池堆。山西等团队成员围绕“大功率化”这一性能提升点,推进了相关举措。

“我们期望通过改良电极材料和隔膜材料、开发可减少电解液循环时压力损失的电池单体构造等方式,来实现大功率化。开发电解液和大功率化是表里一致的存在。我们根据电解液的特性,致力于开发电池堆的优化材料及构造设计。此外,我们希望通过集装箱收纳整个构成设备等,以俯瞰视角把握系统整体,进而实现小型化,这一点对于削减成本来说也是必不可少的。同时,我们也在开展以整体优化为目标的系统开发。”(山西)

此外,团队成员们还致力于开发面向新时代的低价新电解液。电解液开发组长董雍容自入职以来,便一直从事新电解液的开发工作。

电力系统研发中心 二次电池部 电解液开发组长 董雍容
电力系统研发中心 二次电池部 电解液开发组长 董雍容

“现在采用的钒的价格高昂,面临着价格波动风险和资源不均衡等课题。我希望通过更低价且有稳定供应的电解液原料,制造出与钒匹敌的高性能液流电池。”(董)

全钒液流电池的进化永无止境。

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