中國領跑全球清潔能源發展：釩液流電池、光伏創新與煤資源化利用
中國儲能網訊：近日，英國皇家化學會 Chemistry World 網站以《China Powers Up》為題報道了中國近些年在清潔能源領域取得的重大進步，並特彆強調原始創新在其中發揮的重要作用。
本專題報道（Feature）乾貨滿滿，不僅數據詳實，更對幾項重點新能源技術做了詳細解讀，還採訪了許多領軍人物。小編在此精選了部分內容，歡迎大家一睹為快。
清潔能源異軍突起
近年來，隨著經濟的崛起，中國的能源產量也取得了非常迅猛的增長。
▲ 中國能源總產量增長迅猛
另一方面，中國的人均能源用量雖然比發達國家低很多，但增長速率卻很快，現已超過了世界平均水平。
▲ 各地區與全球的人均能源用量
為了確保能源供應的可持續性，中國政府已經開始大力推動清潔與可持續能源的發展。僅在 2015 年，中國在可再生能源領域的投資就高達 1030 億美元，佔全球總投資的近 1/3（數據來源：聯合國環境署）。這些投資現在已經收到效果，近些年來可再生能源的產量有了明顯的增加。
▲ 中國的可持續能源產量變化
在過去十年里，中國建立了越來越多的清潔能源研究中心，中國的科學家們也正在從光伏到電池再到 CO? 捕集和利用在內的多個領域開展前沿研究。得益於充沛的資金支持，這些研究成果正以驚人的速度轉化為商業化產品。
在人們的印象中，中國往往精於「山寨」他國發明的技術而非自我創新；如今，這種觀點已經落伍了。 —— Pierre Verlinden
對在應對全球氣候變化方面所做的努力來說，中國能源產業的進步已產生了深遠的影響。目前中國的 CO? 排放量佔全球的 1/4 以上，主要來自燃煤發電站，而中國制定的目標是在 2030 年實現前 20% 的電力來自非化石資源 ，並在同一時期內將溫室氣體排放量減至 2010 年水平的一半。
▲ 多國的 CO? 排放量
很顯然，這一目標的實現取決於化學科學的進步：「 所有這些的關鍵是基礎研究」（英國謝菲爾德大學英國二氧化碳利用中心主任 Peter Styring）。
本文以全釩液流電池、光伏產業和 CO? 的捕集與利用這三個主題為例，深入解讀了中國在這些方面取得的巨大進步和成就。
VFBs：真正的中國創新
在儲能領域，中國不僅是全球最大的動力電池——鋰電池生產國，也是電網級先進大型儲能技術——全釩液流電池（VFBs）的最大生產國。
▲ 集裝箱式的全釩液流電池
本文首先介紹的大連融科儲能技術發展有限公司（以下簡稱「融科儲能」）2008 年成立於大連高新區，由大連博融控股集團和中國科學院大連化學物理研究所共同組建，是全球唯一具備全釩液流電池全產業鏈技術開發和生產能力的企業。
小知識：全釩液流電池
由於可再生能源具有間歇性、不穩定性、不可調控等自然屬性，導致其併網、消納和利用等方面存在眾多困難和挑戰。通過引入全釩液流電池儲能技術，將可以有效提高電力系統運行穩定性、調整頻率、補償負荷波動、降低供電成本、提高電力設備利用率等，促進可再生能源的併網和使用。
作為過渡金屬，釩的價態十分豐富，+2、+3、+4、+5 價離子在水裡均有不錯的溶解度，而且顏色也十分好看。釩 +2 價和 +5 價離子間有 1.25 V 的電位差，這就給了釩自己和自己組成電池的能力。
▲ 不同價態的釩離子
自 1985 年成功開發出第一台原型機以來，全釩液流電池（Vanadium flow batteries，VFBs）的發展已經有 30 多年。釩液流電池屬於水系液流電池，使用釩離子的硫酸溶液作為電能的儲存介質。
▲ 液流電池的工作機制
Credit: 美國西北太平洋國家實驗室 - S&T
VFBs 系統由一個電堆、兩個儲能罐以及配套的液流泵和管路組成。電解液平時存在儲能罐里，充放電時泵入電堆中進行反應。實際應用時，儲能罐、電堆、液流泵等都可以整合於一套集裝箱內，實現自動化運行。
▲ VFBs 的結構示意圖，重要組件包括
各種電極、雙極板、離子交換膜等
J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16913-16933
全釩液流電池相對於鋰電池的優勢主要有：
方便規模化一套系統可以做小也可以做大，或者由多個集裝箱自由組合而成。使用壽命長鋰離子電池的壽命可能只有 8 年，而按照美國阿貢國家實驗室能源儲備聯合研究中心主任 George Crabtree 的說法，VFBs 的壽命「長達 20 年也不足為奇」。安全性較好面對鋰離子電池忌諱的大電流和過充過放毫無壓力，而且根本不會起火爆炸。
大連化物所首席科學家張華民挂帥的全釩液流電池研發團隊，目前已成功開展了近 30 項應用示範工程，其中包括當前正在實施的 200MW/800MWh 液流電池儲能調峰電站項目；建成之後將是截至目前，全球規模最大的化學儲能電站，並會令特斯拉在澳大利亞建成的世界最大鋰電池蓄電站（129MWh）相形見肘。
▲ 張華民 研究員
全釩液流電池大規模應用的最大障礙之一便是 VFBs 中通常使用 Nafion 膜：這種膜價格昂貴，還容易被釩離子堵塞。融科儲能成功開發了一種基於非氟化聚合物的替代膜，不僅比 Nafion 膜便宜 80％，還具有更小的孔隙，可以實現更好的離子選擇性。這使得質子可以通過膜加速，將電池中的電流密度提高到 160mA/cm2，並顯著提高輸出功率。
▲ 張華民等開發的多孔 PES 膜
Energy Environ. Sci., 2016, 9, 2319
在融科儲能的工廠里，機器人機械手在密封室內迅速將這些黑色海綿膜切成 30cm × 75cm 的矩形以用於單電池（cell）的製造。融科儲能副總經理許曉波表示，對材料的進一步改進預計將使其電流密度超過 200mA/cm2。
▲ 融科儲能集裝箱式樣 VFBs 的構建過程
同時，在堆疊中的相鄰單電池之間提供導電連接的 2mm 寬雙極板，之前是由昂貴且脆性的石墨製成的，而融科儲能開發出了一種低成本、高柔性的高導電性碳塑複合板。
▲ 集裝箱式樣 VFBs 為可再生能源的應用做出貢獻
張華民研究員相信第二代 VFBs 的成本會進一步降低。電解質的成本占 VFBs 總成本的比例可高達約 40%，因此當一台 VFB 壽命到期時， 其中的釩可以被轉移至另一台 VFB，從而大幅降低成本。
只要短短的 15 年就可以實現從基礎研究到商業化應用的跨越，這是一件非常令人滿意的事。 —— 張華民
當然，VFBs 並不是唯一的遊戲參與者。美國阿貢國家實驗室儲能研究聯合中心主任 George Crabtree 舉例說，位於深圳的電池製造商比亞迪（BYD）一直致力於以磷酸鐵為負極的鋰離子電池（LFP）的應用。雖然這類電池的功率和能量密度都低於競爭對手的氧化鈷負極鋰離子電池，但它們更便宜、壽命更長。Crabtree 補充到：「中國的研究人員開始參與進來，推動了技術進步並創造出更好的電池。」
▲ 幾種電動車使用的鋰離子電池類型
Credit: Valuewalk
在北京工作的能源諮詢師 Anders Hove 預計，隨著中國的製造商們開始發展新型電池技術並擴大製造規模，電池的成本可能會迅速下降。按照他的說法，「人們往往未能意識到中國製造能讓這些東西的成本降到多麼低。」
光伏：成功的故事
就在十年前，光伏（PV）發電的每瓦特成本通常會超過 5 美元；今年，中國製造的硅電池將使每瓦的發電成本低於 0.25美元。在過去的十年中，中國的光伏產值以驚人的速度增長；中國公司能迅速改進生產流程，並及時採用最新的太陽能技術。中國目前製造了世界上大部分的太陽能光伏組件；截至 2017 年，光伏裝機容量已經已超過 300GW，佔全球總發電量的 2％。
▲ 各國的光伏電池市場佔有率
Source: Wikipedia
中國還安裝了比任何其他國家都要多得多的太陽能電池板。僅在 2016 年，中國的太陽能裝機容量從 43GW 躍升至 77GW。2016 年 12 月，中國宣布了一項新的光伏發展五年計劃，目標是到 2020 年實現光伏裝機容量達到 110GW。然而根據彭博新能源財經在 2018 年 1 月給出的分析評估，中國僅在 2017 年就完成了足以超越這一目標的光伏裝機容量。
▲ 貴州的光伏發電設施
Source: ? AFP / Getty Images
「這些成就是非常了不起的，而且這是得益於中國自己的研究成果，」常州天合光能有限公司副總裁、首席科學家，光伏科學與技術國家重點實驗室（SKL PVST）副主任 Pierre Verlinden 博士說到。他所在的常州天合光能公司是全球最大的光伏電池供應商之一，2016 年銷售的模組超過 23GW，佔全球市場的 10% 以上。
▲ Pierre Verlinden 和他的中國同事們
Credit: #45 周年 45 個故事(慶祝中澳建交 45 周年網站)
小故事：Perc 與 IBC 太陽能電池
中國的光伏五年計劃將 PERC（passivated emitter rear contact，鈍化發射極背面接觸）電池列為重點支持的光伏技術。與標準光伏電池相比，PERC 電池的結構略微不同，並在電池背面包含一層絕緣材料（如氧化鋁）。這有助於將未吸收的光反射回半導體，從而提高電池的整體效率。
▲ 標準光伏電池與 PERC 光伏電池
Credit: ISFH
PERC 電池在 20 世紀 80 年代後期就開始開發了，但由於氧化鋁層沉積和成型方面的困難，總共花費了 30 年的時間才實現大規模的商業化應用。根據市場調研公司 EnergyTrend 的數據，預計中國的 PERC 電池產量將從 2016 年的 15GW 增加到 2020 年的 61GW，屆時將佔硅基太陽能電池市場的 45% 左右。
▲ SKL PVST 位於江蘇常州天合光伏產業園內
2016年，光伏科學與技術國家重點實驗室成為了中國首批以企業為依託單位的國家重點實驗室，其開發的 PERC 電池創造了 22.6% 效率的世界紀錄。該型產品在不到一年的時間裡就實現了批量生產。
▲ 常州天合創造了多項 PERC 電池效率紀錄
Source: TaiyangNews
光伏效率的提升是建立在一系列漸進式改進的基礎之上的，例如減少硅材料內的雜質含量以抑制電子和空穴的重組、調整電池組件以及改進生產工藝等。正如 Verlinden 博士所說的：「這就是跬步千里的過程。」
Things have changed — we』ve really demonstrated that innovation is happening in China
Verlinden 說，該公司還致力於交叉式背接觸（interdigitated back contact，IBC）電池的研發工作。這種附加值更高的電池可以實現更高的效率，對於佔地面積不太大的光伏電站來說是一個不錯的選擇。
▲ IBC 電池的組成結構
Energy Environ. Sci., 2016, 9, 1552
常規的太陽能電池板通常將用於電流傳輸的纜線網格設置在電池頂部，而這種做法會對入射光造成阻擋。IBC 電池將這些電極轉移到設備的背面，從而讓更多的光線得以通過，提高了電池的效率，但也使得製造工藝更為複雜。
▲ 天合光能 IBC 高效太陽電池驅動的
太陽能賽車，連續三次鈴鹿在 FIA 太陽能汽車賽中奪冠
下一代光伏技術
以硅為基礎材料的光伏電池的迅速增長，也可能會帶來不利影響。對硅電池生產線的巨大投資可能會擠占更為資源集約型的薄膜光伏技術（如碲化鎘）的市場地位。但另一種新興薄膜技術的出現可能會避免該問題，這就是鈣鈦礦太陽能電池——其在過去十年中取得了飛速的發展，效率從 2009 年時的約 4％ 上升到 2017 年時的 22％ 以上。
▲ 關於鈣鈦礦太陽能電池的綜述
J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 18809
鈣鈦礦太陽能電池是利用鈣鈦礦結構材料（如甲基碘化鉛）吸收光能併產生電流的，而利用低溫溶液加工法就能相對便宜地製備出這些材料了。非常關鍵的一點是，可以通過調節鈣鈦礦材料的化學性質來讓它們吸收硅基材料不能吸收的太陽光波段。這就是說，鈣鈦礦電池可以放置在硅電池的上部，從而以這種串聯的方式提高總體的電流輸出——鈣鈦礦是個助手而不是商業對手。
▲ 一種鈣鈦礦/硅異質結串聯電池
Energy Environ. Sci., 2016, 9, 81
市場調研公司 Lux Research 的數據顯示，中國正處在鈣鈦礦太陽能電池這一研究領域的最前沿；截至 2015 年，該領域有近四分之一的研究論文是由中國學者發表的。此外，中國的科研人員們已經在著手進行鈣鈦礦電池的商業化開發了。
▲ 鈣鈦礦太陽能電池的效率提升非常迅猛
Credit: Renewable Energy World
例如，如果電池可以被做成柔性的形式，那麼就可以使用快速高效的「卷到卷」生產方法來製造電池。為了實現這一目標，由劉生忠研究員率領的大連化物所團隊最近開發了一種柔性鈣鈦礦電池，其能量轉換效率為 16%，是已報道的柔性鈣鈦礦電池中最高的（Adv. Mater., 2016, 28, 5206）。這種優異的性能表現部分是因為使用了離子液體來促進電池內的電子傳輸。
▲ 劉生忠 研究員
中國科學院大連化學物理研究所潔凈能源國家實驗室（籌）太陽能研究部
煤：不僅僅是燒掉
雖然多種清潔能源在中國都取得了長足的發展，但現階段中國的能源結構依然以煤炭為主。中國的燃煤電站總裝機容量超過 900GW，佔到總發電量的三分之二。預計到 2030 年時，煤炭在中國的各類能源形式中的佔比仍將超過 50%。
▲ 中國不同能源類型的佔比
與各類清潔能源相比，煤炭的燃燒會帶來許多污染，比如二氧化硫、氮氧化物、可吸入顆粒物等。燃煤帶來的另一種排放物就是 CO? — CO? 排放量的增加必然帶來碳足跡的增加。據統計，中國的燃煤電站對 CO? 排放量的貢獻超過了 80％；從 CO? 排放量的增長速率來看，中國也超過了其它國家。
▲ 不同來源的 CO? 排放量
方案一：捕獲
為了實現節能減排的目標，中國非常重視碳捕集、利用和儲存（carbon capture, utilisation and storage，CCUS）技術方面的開發與投入—— 這類技術可以捕獲化石燃料燃燒後釋放的二氧化碳，然後將其用作化學原料，或將其儲存在地下岩層中。
▲ CO? 的利用途徑
2017 年，陝西榆林市的延長集成碳捕集與封存示範項目正式開工建設，其目標是每年從兩座煤化工廠捕獲約 40 萬噸 CO?，然後將捕獲的 CO? 泵入喬家窪油田，以幫助開採石油。中國計劃發展七個以上的 CCUS 項目，並有望在未來二十年成為該領域的主要參與者。
▲ 延長石油試驗注入裝置
典型的 CO? 捕獲過程使用單乙醇胺這樣的溶劑與 CO? 反應形成 C–N 鍵；隨後這些 C–N 鍵在 100-120℃ 下分解並釋放出適合於儲存或再利用的純凈 CO?。其中的一大挑戰是，以這種方式捕集、分離和釋放 CO? 的過程會產生溫度波動，從而使工藝成本居高不下，每捕獲一噸 CO? 就要花費 50-100 美元，並且會消耗發電廠 25-40% 的電量產出。
因此，研究人員正在努力研究可以降低 CO? 捕獲成本的方法，例如可以物理吸附 CO? 然後在非常溫和的條件下將其釋放的多孔材料——其中的一種就是金屬有機骨架（MOFs）材料。MOFs 的一個優勢是它們的結構和化學性質是高度可調的，因此在理論上就可以設計出能夠特異性結合CO? 的 MOFs 材料（將 CO? 與其它氣體成分有效分離），而且這種 MOFs 材料還可以在溫和加熱的情況下釋放出吸附的 CO?。
▲ MAF-X27ox 是報道過的 CO?
吸附量最高的 MOFs 材料；其在 85°C 下即可快速釋放
所吸附的 CO?Energy Environ. Sci., 2015, 8, 1011
中山大學張傑鵬、陳小明等
方案二：轉化
除了將 CO? 注入地下，另一個更好的選擇是將其轉化成其它有用的化學品。通常用氧氣和蒸汽來處理煤炭以產生合成氣——即氫氣和一氧化碳的混合物。然後合成氣可以通過「費托法」來製造液態烴燃料，或者生產如甲醇這樣的關鍵化學品。
▲ 合成氣的用途
RSC Adv., 2016, 6, 102231
中科院大連化物所（DICP）在此領域具有國內領先的地位。以 DICP 為依託單位的國家清潔能源實驗室（籌，英文縮寫 DNL）是我國能源領域籌建的第一個國家實驗室。
▲ EES 出版的 DNL 專刊
2017 年 10 月，由 DNL 主任李燦院士率領的團隊報道了一種氧化鋅-氧化鋯催化劑，可以將H? 和 CO? 轉化為甲醇（Sci. Adv., 2017, 3, e1701290）。此前用於此反應的催化劑對甲醇的選擇性比較差，獲得的產物較為複雜，或者可能快速失活。這種新型的雙金屬催化劑則能穩定保持活性 500 小時，並確保產物中的甲醇含量超過 90％。李燦院士解釋到，催化劑中的鋅與 H? 結合，而相鄰的鋯則結合併活化 CO?。
▲ DNL 主任李燦院士
關鍵字:清潔能源光伏全釩液流電池
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