在我國，到2025年，新儲(chǔ)能將從商業(yè)化初期進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段，具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件，儲(chǔ)能新技術(shù)創(chuàng)新能力顯著提升，核心技術(shù)和設(shè)備自主可控水平顯著提升。

到2030年，新能源存儲(chǔ)將迎來全面的市場(chǎng)發(fā)展。值得注意的是，盡管我國相關(guān)政策提出要推動(dòng)多元化儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，開展鈉離子電池、新型鋰離子電池和液流電池等關(guān)鍵核心技術(shù)，但大型鋰離子電池儲(chǔ)能電站火災(zāi)爆炸事故頻發(fā)。

對(duì)此，中國能源局提出，中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不應(yīng)使用三元鋰電池和鈉硫電池。

因此，相對(duì)穩(wěn)定和安全的流量電池受到了越來越多的關(guān)注。本文將介紹液流電池的結(jié)構(gòu)、原理和技術(shù)路線，重點(diǎn)對(duì)全釩氧化還原液流電池和鐵鉻液流電池進(jìn)行比較。

什么是液流電池

液流電池的結(jié)構(gòu)是什么

液流電池主要由以下部分組成：

● 電池組（包括離子交換膜、雙極板等）

● 電解質(zhì)

● 液體儲(chǔ)罐

● 循環(huán)泵

陰極電解質(zhì)和陽極電解質(zhì)由電池堆內(nèi)部的離子交換膜隔離，并形成兩個(gè)反應(yīng)室。當(dāng)電池運(yùn)行時(shí)，循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)電解液在其各自的反應(yīng)室中循環(huán)，并且氧化還原反應(yīng)在其各自電極附近發(fā)生，通過連接到外部的雙極板形成電流。

液流電池如何工作

液流電池的原理是用化學(xué)能儲(chǔ)存電能。當(dāng)電池充電時(shí)，電能被轉(zhuǎn)換成化學(xué)能并儲(chǔ)存在儲(chǔ)液罐的電解液中；當(dāng)電池放電時(shí)，電解液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

液流電池技術(shù)路線

液流電池有三種技術(shù)路線：

● 全釩氧化還原液流電池

是國內(nèi)示范項(xiàng)目規(guī)模最大的電池技術(shù)，電解液為不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸溶液。

● 鐵鉻液流電池

電解質(zhì)是不同價(jià)態(tài)的鐵離子和鉻離子的鹽酸溶液。

● 溴化鋅液流電池

由于溴化鋅電池的循環(huán)壽命短、電池效率低，以及溴在溴化鋅電解液中的金屬腐蝕性，目前可能會(huì)淘汰溴化鋅蓄電池。

什么是全釩氧化還原液流電池

釩氧化還原電池（VRB）是一種氧化還原電池，其中活性物質(zhì)是循環(huán)液體。電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換是通過在兩個(gè)不同價(jià)態(tài)的釩離子之間交換電子來實(shí)現(xiàn)的，這兩個(gè)釩離子由隔膜隔開。

釩電池充電后，正極為V5+，負(fù)極為V2+；放電后，正極和負(fù)極分別為V4+和V3+溶液。正極和負(fù)極由隔膜隔開，隔膜只允許H+通過，而H+也在電池內(nèi)部起到導(dǎo)電的作用。

隨著相關(guān)示范項(xiàng)目的推動(dòng)，全釩氧化還原液流電池的成本有望降低，從而促進(jìn)其在產(chǎn)品技術(shù)方面的商業(yè)化。2022年5月，全球最大的100 MW/400 MWh全釩氧化還原液流電池儲(chǔ)能電站將正式并網(wǎng)，這將加速全釩氧化氧化還原液電池的商業(yè)化。

什么是鐵鉻液流電池

Fe-Cr液流電池使用廉價(jià)且富含原料的Fe和Cr離子作為活性材料。20世紀(jì)70年代，NASA提出了液流電池的概念。十年后，日本也開發(fā)了千瓦級(jí)的原型。然而，由于鉻離子活性低、電池容量衰減快等一系列技術(shù)問題，工業(yè)化進(jìn)程緩慢。

全釩氧化還原液流電池vs鐵鉻液流電池

據(jù)了解，在液流電池的技術(shù)路線中，釩液流電池和鐵鉻液流電池在產(chǎn)業(yè)化方面處于領(lǐng)先地位。

技術(shù)路線比較

目前，釩液流電池和鐵鉻液流電池是兩種主流的液流電池技術(shù)路線。以下是對(duì)兩者的比較分析。

上游資源：釩vs鉻：

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2021，全球釩礦儲(chǔ)量為2400萬噸，中國儲(chǔ)量將達(dá)到950萬噸，占40%。中國是世界上釩儲(chǔ)量最高的國家。

全球年均釩需求量約為12萬噸，下游90%用于鋼鐵冶金行業(yè)。此外，2021，世界鉻礦儲(chǔ)量為5.75億噸，鉻資源豐富。

此外，中國對(duì)外國鉻礦的依賴超過90%，是世界上最大的進(jìn)口國。中國的鉻儲(chǔ)量只有407萬噸，占全球儲(chǔ)量的不到1%。中國每年的鉻礦進(jìn)口量約為1400萬噸，主要來自南非。90%的下游應(yīng)用用于鋼鐵冶金行業(yè)。

關(guān)鍵材料的價(jià)格差異：五氧化二釩與鉻鐵：

全釩氧化還原液流電池和鐵鉻液流電池電解液的關(guān)鍵原料分別是五氧化二釩和鐵鉻合金。由于元素供應(yīng)豐富，鉻鐵的總體價(jià)格更便宜。最近五氧化二釩的平均價(jià)格約為10萬元/噸，而鐵鉻合金的平均價(jià)格僅為8000元/噸。

釩價(jià)更有可能波動(dòng)?？紤]到原材料的來源，目前，75-85%的釩來自鋼鐵冶金加工獲得的釩渣的提取。釩的供應(yīng)受到鋼鐵產(chǎn)能的限制，這很可能導(dǎo)致更大的價(jià)格波動(dòng)。鉻可以直接從鉻礦石中提取，沒有類似的問題。

全釩氧化還原液流電池的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)勢(shì)：

● 電壓水平和能量密度略高于鐵鉻流量

釩離子的反應(yīng)活性高于鐵鉻離子，電池功率相對(duì)較高。根據(jù)數(shù)據(jù)，全釩氧化還原液流電池的開路電壓水平為1.26V，鐵鉻液流為1.18V。

因此，全釩氧化還原液流電池的電壓水平和能量密度略高于鐵鉻電池，但兩者之間仍存在較大差距。

● 單堆功率和商業(yè)化過程更先進(jìn)

在液流電池領(lǐng)域，全釩電池的商業(yè)化速度最快。目前，全釩電池的項(xiàng)目總數(shù)和單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模均領(lǐng)先于鐵鉻電池，技術(shù)成熟度和商業(yè)成熟度更好。

● 全釩電池單電池組具有更高的功率和更成熟的技術(shù)

單個(gè)堆棧的功率可以作為判斷技術(shù)成熟度的關(guān)鍵輔助指標(biāo)。目前，全釩氧化還原液流電池項(xiàng)目單堆功率已達(dá)到400V，而鐵鉻電池單堆功率為30-40V，仍需進(jìn)一步追求。

據(jù)推斷，到2025年，單個(gè)鐵鉻電池組的功率可能達(dá)到所有釩電池的當(dāng)前水平。

缺點(diǎn)：

● 儲(chǔ)能技術(shù)成本過高，難以大規(guī)模應(yīng)用

● 技術(shù)生產(chǎn)技術(shù)尚未穩(wěn)定，泄漏技術(shù)尚未克服

鐵鉻液流電池的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)勢(shì)：

與全釩電池相比，鐵鉻電池的最大優(yōu)勢(shì)是電解液成本更低。盡管電池結(jié)構(gòu)相似，但由于釩的價(jià)格較高，全釩電池電解液的成本可占電池總成本的53%，而鐵鉻電池電解液的價(jià)格僅為10%。

根據(jù)計(jì)算，鐵鉻電解液的每瓦時(shí)成本僅為釩電解液的11%，具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。

在長期儲(chǔ)能的趨勢(shì)下，隨著系統(tǒng)存儲(chǔ)時(shí)間的增加，電解液成本占系統(tǒng)成本的比例有望繼續(xù)上升，未來低成本電解液的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

缺點(diǎn)：

● 低能量密度

市面上鋰電池的能量密度基本可以達(dá)到400Wh/L，而鐵鉻液流電池的最大能量密度只能達(dá)到20Wh/L，與之相差甚遠(yuǎn)。正是因?yàn)殍F鉻液流電池的能量密度低，所以體積比其他電池大得多。

● 能量轉(zhuǎn)換率低

目前，新能源汽車上動(dòng)力電池的能量轉(zhuǎn)換率可以達(dá)到80%以上，而鐵鉻液流電池的能量轉(zhuǎn)化率遠(yuǎn)低于80%。畢竟，這是一項(xiàng)新引入的電池技術(shù)，在這方面仍有很大的進(jìn)步空間。

總結(jié)

與釩液流電池技術(shù)相比，鐵鉻液流電池具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：

● 全球鉻儲(chǔ)量大，電費(fèi)低

世界上鉻的探明儲(chǔ)量已達(dá)6.85億噸，而釩只有2200萬噸。這是鐵鉻液流電池低成本的關(guān)鍵，而且還有大幅降低的空間。

● 更寬的溫度適應(yīng)范圍

鐵鉻液流電池可適應(yīng)零下20℃的環(huán)境，工作溫度范圍為–20C-70C。釩液流電池的工作溫度為5C-50C。

鐵鉻液流電池具有強(qiáng)大的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，未來有望廣泛應(yīng)用于太陽能、風(fēng)能等發(fā)電側(cè)，以及智能微電網(wǎng)、用戶側(cè)等領(lǐng)域。

鐵鉻液流電池受到市場(chǎng)青睞，這進(jìn)一步使鉻產(chǎn)業(yè)鏈具有良好的前景。據(jù)預(yù)測(cè)，2022年，鐵鉻液流電池的全球出貨量為0.42 GW，拉動(dòng)重鉻酸鈉需求量1.17萬噸；2025年，鐵鉻液流電池的全球出貨量將達(dá)到12.01 GW，從而推動(dòng)重鉻酸鈉需求量增加33.47萬噸。

液流電池的未來發(fā)展趨勢(shì)

長期儲(chǔ)能的長期趨勢(shì)是明確的，但由于技術(shù)不成熟、成本高、需求不夠迫切等原因，短期內(nèi)仍沒有大規(guī)模應(yīng)用。在中國，儲(chǔ)能裝機(jī)容量仍以強(qiáng)制短期儲(chǔ)能2-4小時(shí)的政策為主。

未來，隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加，液流電池的每瓦時(shí)成本將降低。液流電池的功率和容量是獨(dú)立設(shè)計(jì)的。提高儲(chǔ)能能力后增加最多的成本是電解液和儲(chǔ)液罐。電池組的成本相當(dāng)于恒功率條件下的固定成本。

因此，儲(chǔ)能時(shí)間越長，電池組的成本越低，整個(gè)電池系統(tǒng)的成本也越低。目前，液流電池項(xiàng)目持續(xù)2-4小時(shí)。如果未來儲(chǔ)能時(shí)間增加到8-10小時(shí)或更長，液流電池的經(jīng)濟(jì)性將得到進(jìn)一步體現(xiàn)。

在液流電池領(lǐng)域，全釩電池的發(fā)展相對(duì)成熟，但鐵鉻電池的長期成本優(yōu)勢(shì)更為明顯。

除鐵鉻液流電池外，中國還在飛輪儲(chǔ)能、水儲(chǔ)熱、熔鹽儲(chǔ)熱、固體儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱等技術(shù)上深耕。未來，全釩流還是鐵鉻流將主導(dǎo)液流電池仍不確定。

對(duì)于液流電池本身來說，未來鋰電池的成本可能會(huì)快速下降，或者氫儲(chǔ)能的發(fā)展速度將遠(yuǎn)超預(yù)期，未來甚至更新更好的技術(shù)將取代現(xiàn)有的技術(shù)路線。一切皆有可能，因?yàn)榭茖W(xué)和技術(shù)在曲折中不斷進(jìn)步。