液流電池行業(yè)研究：長時(shí)儲能的有力競爭者

液流電池行業(yè)研究：長時(shí)儲能的有力競爭者液流電池：研究歷史悠久，技術(shù)實(shí)踐多元液流電池的定義液流電池一種利用兩種或多種溶解在液體中的活性物質(zhì)在膜兩側(cè)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來儲存和釋放能量的裝置。在液流電池結(jié)構(gòu)中，外部有兩個(gè)存放正負(fù)極電解液的儲罐，電解液由氧化還原電活性物質(zhì)溶解在溶劑中形成。當(dāng)電解液在泵的作用下輸送到電極表面時(shí)，氧化還原電解質(zhì)分子得到或失去電子，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。因?yàn)檫@種獨(dú)特電池結(jié)構(gòu)，液流電池具有能量和功率解耦控制的特點(diǎn)，儲罐中電解液的體積和電解質(zhì)濃度決定電池能量，電堆數(shù)量和電堆中的電極面積決定電池功率。以最早被提出的鐵/鉻液流電池為例，電池在正/負(fù)級分別采用Fe2+/Fe3+和Cr2+和Cr3+電對，采用鹽酸作為支持電解質(zhì)，水作為溶劑。電池正、負(fù)極之間用離子交換膜隔開，電池充、放電時(shí)由H+通過離子交換膜在正、負(fù)電解液間的電遷移而形成導(dǎo)電通路。放電時(shí)，正極發(fā)生反應(yīng)Fe3++e-→Fe2+,負(fù)極發(fā)生反應(yīng)Cr2+→Cr3++e-，合并反應(yīng)可以寫為Fe3+Cr2+→Fe2++Cr3+。液流電池的歷史液流電池的發(fā)展可以粗略劃分為早期發(fā)展、研發(fā)示范及初步商業(yè)化兩個(gè)階段。1884-1973年是液流電池的早期發(fā)展階段，不同國籍的科學(xué)家分別進(jìn)行初步研究實(shí)踐，但并未明確提出液流電池概念；1974年后，美國科學(xué)家正式提出液流電池概念，隨后美國、日本等各國科學(xué)家開始對液流電池進(jìn)行研究，發(fā)展出多種液流電池體系，并在20世紀(jì)末期逐步開展示范應(yīng)用。經(jīng)過多年的驗(yàn)證與淘汰，鋅溴液流電池和全釩液流電池開始商業(yè)化，全釩液流電池的商業(yè)化進(jìn)程更加趨前。早期發(fā)展（1884-1973年）。液流電池最早出現(xiàn)于1884年，法國工程師CharlesRenard發(fā)明了鋅-氯液流電池，并用作其飛艇“LaFrance”的動力源，電池整體重量435kg，占飛艇總重的35%，因?yàn)橹亓枯^大、效率低下、續(xù)航時(shí)間短，后續(xù)沒有進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)用。1933年，法國工程師Pissoort在一項(xiàng)專利中提及將釩在不同的氧化狀態(tài)作為電池的想法，但并沒有進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。1949年，德國科學(xué)家Kangro提交專利“電力儲存方法”，其中提供了液流電池的歷史上首個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。專利中涉及硫酸中的Cr2+/Cr3+//Cr3+/Cr(IV)體系，該體系發(fā)生反應(yīng)時(shí)儲存介質(zhì)無相變，同時(shí)僅使用一種元素作為活性物質(zhì)。同時(shí)提到了錳和釩等幾種氧化態(tài)鉻的替代品，并展示了鈦基體系Ti3+/Ti4+//Cl?/Cl2，其中的Cl2溶于CCl4中。1958年，Kangro的學(xué)生Pieper在其論文中對液流電池可能的活性材料進(jìn)行了探索，并設(shè)計(jì)了11種不同的液流電池，電極均采用石墨材料。1963年，西屋電氣為一種鋅溴液流電池的復(fù)合申請了專利。研發(fā)示范及初步商業(yè)化（1974-至今）。進(jìn)入20世紀(jì)中期，在美國航空工業(yè)大發(fā)展的背景下，NASA開始研究液流電池，主要目的是用于月球基地的太陽能儲電系統(tǒng)，首要考慮電池的安全性、效率和運(yùn)行壽命，而成本則為次要因素，美國科學(xué)家于20世紀(jì)70年代初期首次提出具有實(shí)際意義的液流電池詳細(xì)模型。1979年，第二次石油危機(jī)爆發(fā)使大多數(shù)國家認(rèn)識到了化石燃料能源體系無法保持長期穩(wěn)定，因此各國開始轉(zhuǎn)變長期能源戰(zhàn)略并開發(fā)新能源技術(shù)，以美國、日本為代表的國家開始了對液流電池技術(shù)的大力研發(fā)，不同路線相繼出現(xiàn)，液流電池的應(yīng)用范圍也由航空領(lǐng)域拓展到新能源領(lǐng)域，例如儲存風(fēng)能和光能。我們根據(jù)重要性的原則對鐵鉻液流電池、全釩液流電池、鋅溴液流電池進(jìn)行重點(diǎn)介紹。鐵鉻液流電池。NASALewis研究中心的Thaller于1974年提出液流電池概念，并提出一種鐵溴液流電池和鐵鈦液流電池的設(shè)計(jì)思路。此后美國NASA及日本的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)均開展了鐵/鉻液流技術(shù)研究開發(fā)，日本企業(yè)也成功開發(fā)出數(shù)十千瓦級的電池系統(tǒng)。但由于Cr的反應(yīng)可逆性差，F(xiàn)e離子和Cr離子透過隔膜互串引起正負(fù)極電解液的交叉污染及電極在充電時(shí)析氫嚴(yán)重等問題，鐵/鉻液流電池的能量效率較低。1990年后幾乎沒有相關(guān)學(xué)術(shù)研究進(jìn)行，日本住友電工也在1992年放棄該技術(shù)路線的研究。目前僅有美國的EnerVault及我國的國家電力投資集團(tuán)等公司在進(jìn)行項(xiàng)目研發(fā)及示范。全釩液流電池。為避免正、負(fù)極電解液為不同金屬離子組成的液流體系所存在的正、負(fù)極電解液互混交叉污染問題，延長液流電池的壽命并提高運(yùn)行可靠性，人們提出了正、負(fù)極電解液的活性物質(zhì)為同一種金屬的不同價(jià)態(tài)離子組成的新型液流電池體系，如全Cr體系、全V體系、全Np體系及全U體系等。但目前為止，經(jīng)過研發(fā)并實(shí)施過100kW以上級示范運(yùn)行的有多硫化鈉/溴液流電池、全釩液流電池和鋅/溴液流電池。其中，正、負(fù)極電解液的活性物質(zhì)為同一種金屬的液流電池體系僅有全釩液流電池體系，其他液流電池體系仍處于探索階段。20世紀(jì)80年代，澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）M.Skyllas-Kazacos教授的研究團(tuán)隊(duì)在全釩液流電池技術(shù)領(lǐng)域做了大量研究工作，內(nèi)容涉及電極反應(yīng)動力學(xué)、電極材料、膜材料評價(jià)極改性、電解液制備方法及雙極板開發(fā)，為全釩液流電池儲能技術(shù)發(fā)展做出重要基礎(chǔ)研究貢獻(xiàn)。90年代中期，UNSW向泰國石膏公司（ThaiGypsumCorporation）和MitsubishiChemicals頒發(fā)專利許可證，并主導(dǎo)產(chǎn)品的開發(fā)，其他公司也有所跟進(jìn)，全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度不斷推進(jìn)。1998年，UNSW向澳洲公司Pinnacle出售其專利，Pinnacle隨后將專利授權(quán)給日本住友化工（SumitomoElectricIndustries，SEI)。住友電工于1992年放棄對鐵鉻液流電池的研究并開展全釩液流電池的研究，在獲得專利授權(quán)后的數(shù)年內(nèi)，在多場景開展了超過20項(xiàng)示范項(xiàng)目，并取得良好效果，示范項(xiàng)目整體能量效率高達(dá)80%，最高循環(huán)次數(shù)超過27萬次。例如，2000年，住友電工推出一套100kW/800kWh的全釩液流儲能系統(tǒng)用于辦公樓電力調(diào)節(jié)；2005年，其于北海道建設(shè)一套4MW/6MWh的全釩液流儲能系統(tǒng)，用于對30MW風(fēng)電場的調(diào)幅、調(diào)頻和平滑輸出并網(wǎng)。截至2022年末，住友電工合計(jì)開展了46MW/159MWh的全釩液流電池運(yùn)營項(xiàng)目。2006年，UNSW液流電池相關(guān)專利到期，世界各地的研究群體和商業(yè)團(tuán)體因此能夠利用其專利做進(jìn)一步拓展。2006-2020年，中國、美國、英國出現(xiàn)相當(dāng)部分全釩液流電池公司，但在全球釩價(jià)格大幅波動的情況下大多公司的發(fā)展遭遇波折。當(dāng)前海外的全釩液流電池公司包括住友電工、美國UET、澳洲Cellstrom等。我國對全釩液流電池的基礎(chǔ)研究起步較早。中國地質(zhì)大學(xué)和北京大學(xué)于20世紀(jì)80年代末建立了全釩液流電池的實(shí)驗(yàn)室模型。1995年，中國工程物流研究院研制出1kW樣機(jī)，并擁有電解液制備、導(dǎo)電塑料成型等專利。此后，中科院大連物化所、大連融科、清華大學(xué)、中南大學(xué)等開始從事全釩液流電池的研發(fā)工作，并取得一系列技術(shù)突破。2016年，國家能源局批復(fù)了第一個(gè)百兆瓦級全釩液流電池儲能電站，規(guī)模為200MW/800MWh，也是全球最大規(guī)模的液流電池儲能電站。鋅溴液流電池。鋅溴電池正極活性物質(zhì)Br2具有強(qiáng)腐蝕性和化學(xué)氧化性、很高的揮發(fā)性及穿透性，易通過離子交換膜互串（滲透）到負(fù)極引起電池自放電，負(fù)極活性物質(zhì)鋅在沉積過程中易形成枝晶。20世紀(jì)70年代中期，美國Exxon和Gould兩家公司分別通過調(diào)控鋅沉積形貌控制抑制鋅枝晶形成，通過絡(luò)合技術(shù)初步解決了Br2通過離子傳導(dǎo)膜互串問題，推進(jìn)了鋅溴液流電池的開發(fā)。1986年，Exxon將專利授權(quán)包括JohnsonControls、SEA在內(nèi)的四家公司，四家公司擁有不同領(lǐng)域的專利并在技術(shù)上朝不同的方向發(fā)展并試圖進(jìn)行商業(yè)化應(yīng)用。1994年，ZBB（改名ENSYNC）公司購買了JohnsonControls的液流電池技術(shù)。21世紀(jì)初，Redflow公司成立，技術(shù)主要源于SEA。學(xué)術(shù)上，2000年代鋅溴液流電池學(xué)術(shù)研究較少，2010年之后有所增加，該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展主要由商業(yè)公司進(jìn)行推進(jìn)。ZBB公司歷經(jīng)幾代涉及優(yōu)化，開發(fā)出商業(yè)化50kWh鋅/溴液流電池模塊，并通過模塊的串、并聯(lián)構(gòu)建了兆瓦時(shí)級鋅/溴液流電池儲能系統(tǒng)。該公司在加州以4個(gè)500kWh鋅/溴液流電池單元系統(tǒng)模塊構(gòu)建了2MWh應(yīng)急儲能電站，是迄今公開報(bào)道的最大規(guī)模的鋅/溴液流電池應(yīng)用示范項(xiàng)目。其他公司也有產(chǎn)品推出。其他液流電池。除探索同一種金屬的不同價(jià)態(tài)離子為電池正、負(fù)極活性物質(zhì)的液流電池新體系外，科學(xué)家也對其他液流電池體系進(jìn)行了探索，包括鋅氯、多硫化鈉/溴、鉛/甲基磺酸、釩/多鹵化物以及有機(jī)液流電池等技術(shù)路線，但因技術(shù)上存在目前尚未克服的難點(diǎn)、安全性問題以及研發(fā)處于早期等種種原因尚不能進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。液流電池的分類液流電池有多種分類方式，可按正、負(fù)極電解質(zhì)活性物質(zhì)采用的氧化還原電對，正、負(fù)級電解質(zhì)活性物質(zhì)特征、電解液溶劑種類等標(biāo)準(zhǔn)分別。按正、負(fù)極電解質(zhì)活性物質(zhì)采用的氧化還原電對不同，液流電池可分為全釩、鋅溴、鋅/氯、多硫化鈉/溴液流電池；按活性物質(zhì)特征，可分為液-液和沉積型液流電池，沉積型液流電池根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，又可分為半沉積型和全沉積型。目前進(jìn)入示范應(yīng)用后期和商業(yè)化運(yùn)行的有全釩液流電池和鋅溴液流電池，鐵鉻液流電池雖然有部分示范應(yīng)用，但并不是主流的研究路線。其他的液流電池路線研究仍然處于早期階段。全釩液流電池最大的優(yōu)點(diǎn)是正負(fù)極氧化還原電對使用同種元素釩，電解液在長期運(yùn)行過程中可再生，避免了交叉污染帶來的電池容量難以恢復(fù)問題，同時(shí)該電對電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)良好，在無外加催化劑的情況下即可達(dá)到較高的功率密度，且運(yùn)行過程中無明顯的析氫、析氧副反應(yīng)，具有良好的可靠性。鋅溴液流電池正負(fù)極電解液組分也完全一致，不存在電解液交叉污染，同時(shí)電池理論能量密度高，在國外也取得了較好的發(fā)展。液流電池系統(tǒng)的構(gòu)成液流電池的主要的構(gòu)成部件包括電堆、電解液、儲液罐、泵、熱交換器、管路、PMS、FBMS等。按功能劃分可以劃分為能量單元、功率單元和配套系統(tǒng)。能量單元主要包括電解液和儲液罐；功率單元主要是電堆，電堆由端板、導(dǎo)流板、集流板、雙極板、電極框、電極、離子傳導(dǎo)（交換）膜及密封材料構(gòu)成；配套系統(tǒng)則包括泵、熱交換器、管理、PMS、FBMS等輔助性部件，其中能源單元和功率單元是液流電池的核心。我們以目前較為成熟的全釩液流電池系統(tǒng)重要零部件進(jìn)行分析：電解液。釩電解液是全釩液流電池的儲能介質(zhì)，是其核心材料之一，釩電解液的物理、化學(xué)參數(shù)、雜質(zhì)的種類和含量不僅決定了全釩液流電池系統(tǒng)的儲能容量，還會影響全釩液流電池電堆的反應(yīng)活性、穩(wěn)定性和耐久性。全釩液流電池正、負(fù)極電解液以不同價(jià)態(tài)的釩離子作為活性物質(zhì)，通常采用硫酸水溶液作為支持電解質(zhì)。電極。電極材料是液流電池的關(guān)鍵材料之一。與鋰離子電池等不同，在液流電池中，儲能活性物質(zhì)以電解液的形式儲存在電堆外部的儲罐中，電極自身不參加電化學(xué)反應(yīng)，只為正、負(fù)極儲能活性物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)提供反應(yīng)場所。電極材料性能的好壞直接影響電化學(xué)反應(yīng)速率、電池內(nèi)阻及電解液分布的均勻性與擴(kuò)散狀態(tài)，最終影響液流電池的功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率。電極材料的化學(xué)穩(wěn)定性也直接影響液流電池的使用壽命。應(yīng)用于全釩液流電極材料可分為金屬類和碳素類，但經(jīng)過20多年的發(fā)展，從性能和成本上考慮，金屬類電極已經(jīng)不適用于全釩液流電池。碳素類電極包括碳?xì)趾褪珰?，碳?xì)值膬r(jià)格低廉，電化學(xué)性能較好，能夠滿足實(shí)際使用需求，所以是當(dāng)前電極的主流材料。目前，為實(shí)現(xiàn)液流電池功率的提升，電極材料厚度正在向薄發(fā)展，具有更小厚度的碳纖維材料正受到越來越多的關(guān)注。雙極板。雙極板在電堆中實(shí)現(xiàn)單電池之間的聯(lián)結(jié)，隔離相鄰單電池間的正、負(fù)極電解液，同時(shí)搜集雙極板兩側(cè)電極反應(yīng)產(chǎn)生的電流。電堆中的電極要求一定的形變量，雙極板需對其提供剛性支撐。為實(shí)現(xiàn)上述功能，雙極板需要優(yōu)良的導(dǎo)電性，良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，良好的致密性以及量化的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。可用于雙極板的材料主要有金屬材料、石墨材料和碳塑復(fù)合材料。非貴金屬材料在強(qiáng)酸強(qiáng)氧化性環(huán)境下易被腐蝕或形成導(dǎo)電性差的鈍化膜，在經(jīng)過表面處理后依然收效甚微，因此目前不適合做雙極板材料。石墨材料方面，五孔硬石墨板在全釩液流電池條件下抗酸腐蝕性強(qiáng)，材料致密，但價(jià)格昂貴、脆性高，在全釩液流電池中的應(yīng)用受到限制；柔性石墨材料質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，但長期運(yùn)行下容易發(fā)生溶脹，因此需要對其進(jìn)行改性。碳塑復(fù)合材料由聚合物和導(dǎo)電填料混合后經(jīng)模壓、注塑等方法制作成型，耐腐蝕性好，制備工藝簡單，目前在全釩液流中應(yīng)用最為廣泛。但碳塑雙極板的電阻率比金屬雙極板和無孔石墨雙極板的電阻率高1~2個(gè)數(shù)量級，因此提高碳塑復(fù)合材料的導(dǎo)電性是目前研究的熱點(diǎn)。隔膜。離子交換（傳導(dǎo)）膜是全釩液流電池的另一核心部件，在液流電池中起著阻隔正、負(fù)極活性物質(zhì)，避免交叉互混，同時(shí)導(dǎo)通離子形成電池內(nèi)部導(dǎo)電回路的作用。在全釩液流電池中，離子交換膜在強(qiáng)氧化性的五價(jià)釩離子(VO2)、強(qiáng)酸性和高電位、大電流的苛刻環(huán)境中運(yùn)行，因此要求優(yōu)良的離子傳導(dǎo)性、離子選擇性、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性。全釩液流電池用離子交換膜可分為含氟離子交換膜和非氟離子交換膜。在含氟離子交換膜中，按膜材料樹脂氟化程度不同又分為全氟磺酸離子交換膜、部分氟化離子交換膜和非氟離子交換膜三類。全氟磺酸離子交換膜應(yīng)用最廣，但核心制造技術(shù)被國外公司壟斷，因此價(jià)格較為昂貴；部分氟化離子交換膜成本較低，但電壓效率、機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性不能兼顧，制備工藝也導(dǎo)致部分膜的化學(xué)穩(wěn)定性降低，因此在液流電池中應(yīng)用受到嚴(yán)重限制；非氟交換膜選擇性高、成本低，但穩(wěn)定性差，在液流電池中的應(yīng)用受到限制；為解決全氟磺酸離子交換膜價(jià)格昂貴和非氟離子交換膜穩(wěn)定性差的問題，多孔離子傳導(dǎo)膜是一個(gè)新的方向。構(gòu)造截然不同，定位長時(shí)儲能電池結(jié)構(gòu)決定液流電池獨(dú)特特點(diǎn)液流電池是二次蓄電池的一種，與傳統(tǒng)蓄電池相比，液流電池具有以下特點(diǎn)。輸出功率和儲能容量相互獨(dú)立。液流電池的活性物質(zhì)是儲存在外部儲罐中的液體電解質(zhì)，與電極材料分離，通過循環(huán)泵在電堆內(nèi)外流動，充、放電過程中無相變，電池輸出功率取決于電極的面積，儲能容量取決于溶液的體積。因此需要在提高輸出功率時(shí)增加電堆數(shù)目即可，通過增加電解質(zhì)的量或提高電解質(zhì)濃度即可達(dá)到增加儲能容量的目的。而傳統(tǒng)的二次電池活性物質(zhì)與其電極材料一般是一體的，封存在電池殼體內(nèi)部，正、負(fù)電極間的隔膜采用多孔膜，且充、放電過程中一般有相變化或形貌改變，電池輸出功率固定后，其儲能容量也相應(yīng)固定。充放電過程不涉及物相變化。雙液流電池儲能活性物質(zhì)均為液態(tài)，充放電過程中只有價(jià)態(tài)變化，不涉及無相變化，避免了傳統(tǒng)電池因相變化及枝晶的生成而發(fā)生電池短路、活性物質(zhì)性能下降問題。儲存壽命長。液流電池的活性物質(zhì)溶解于電解液中，當(dāng)電池不使用時(shí)密封存放于不同的電解液儲罐中，沒有普通電池的自放電問題。本征安全。傳統(tǒng)液流電池的電解液為水溶液，不存在著火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，安全性較好。作為液流電池的一種，當(dāng)前商業(yè)化進(jìn)度最為靠前的全釩液流電池也具有安全性高、儲能規(guī)模大、充放電循環(huán)壽命長、電解液可循環(huán)利用、生命周期中性價(jià)比高、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)主要是系統(tǒng)組成復(fù)雜、能量密度較低。液流電池與鋰電適用場景具有重大差異能量密度顯著低于鋰電。全釩液流電池的能量密度為12-40W/kg，而鋰電中能量密度較低的鈦酸鋰電池能量密度達(dá)到60-100W/kg，如果將全釩液流電池能源密度以30W/kg計(jì)算，鈦酸鋰能量密度是全釩液流電池的2~3倍。這決定了全釩液流電池在對能量密度有要求的3C電子和電動車領(lǐng)域并不適用，該領(lǐng)域需求更適宜由鋰電池等高能量密度的電池來滿足。循環(huán)壽命遠(yuǎn)高于鋰電。在儲能領(lǐng)域，尤其是儲能需求量較大較長的長時(shí)儲能領(lǐng)域，能量密度并不是考慮的首要因素，而是要考慮循環(huán)壽命、安全性、可靠性等。從循環(huán)次數(shù)來看，全釩液流電池循環(huán)次數(shù)大于1萬次，而鋰電池中的磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池循環(huán)次數(shù)中值分別為6000次和3000次，遠(yuǎn)低于全釩液流電池。本征安全，不會熱失控和燃燒爆炸。安全性上來講，鋰電池等搖椅電池由正極材料、負(fù)極材料、電解液和隔膜組成，主要依靠金屬離子在兩個(gè)電極之間的充放電往返嵌入和脫嵌工作。電池一般采用含有鋰、鈉、鉀元素的材料作為正極材料，但有些材料化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較差，在過充、撞擊、短路過程中很容易引發(fā)火災(zāi)及爆炸事故。而釩電池的電解液為水基環(huán)境，本身不可燃，不會像鋰電那樣發(fā)生熱失控或燃燒爆炸，電解液循環(huán)流動，散熱速率快，能夠有效降低電池內(nèi)部溫度，避免過熱損傷?；钚晕镔|(zhì)是不同價(jià)態(tài)的釩離子，反應(yīng)溫和，即使正負(fù)極電解液直接互混，也不會產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)或溫度升高。全釩液流電池的定位是大規(guī)模、長時(shí)間儲能技術(shù)各種儲能技術(shù)特性有明顯的差別，用于的范圍也較為不同。抽水蓄能主要用于大電網(wǎng)的輸配電環(huán)節(jié)；電化學(xué)儲能主要用于風(fēng)光發(fā)電側(cè)、小型變電站和用電側(cè)；飛輪和超級電容儲能用于精密制造等行業(yè)。其中，全釩液流電池被定位為大規(guī)模儲能技術(shù)，適用于大規(guī)模、大容量、長時(shí)間的儲能場景。大規(guī)模儲能必須滿足技術(shù)實(shí)用性、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的基本要求?；谘芯亢凸こ虒?shí)踐所得的業(yè)界共識，適合長時(shí)間、大規(guī)模的儲能形式主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、液流電池三類。抽水蓄能、壓縮空氣儲能的建設(shè)受地形限制，而全釩液流電池不受地域、環(huán)境等條件限制，同時(shí)滿足本征的安全性(是水性體系的電池)、適合性(基本電池單元大、液流便于熱管理、壽命長)，經(jīng)濟(jì)性潛力大(技術(shù)進(jìn)步快，而且“天花板”足夠高)，是大規(guī)模、長時(shí)間儲能的有力競爭者。除抽水蓄能和壓縮空氣儲能以外，鋰離子電池和鈉離子電池同樣可以用于百萬千瓦時(shí)級儲能。但是鋰離子電池、鈉離子電池的技術(shù)體系決定了電池?zé)崾Э氐目赡苄?，只能夠從工藝上改進(jìn)。國際能源綜合司于2022年6月發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2022年版）（征求意見稿）》，明確將三元鋰離子電池、鈉硫電池踢出了中大型電化學(xué)儲能的可選方案，同時(shí)認(rèn)為不宜采用動力電池梯次利用，所以具有本征安全性的全釩液流電池有望成為大規(guī)模儲能技術(shù)的優(yōu)勢路線。全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈初步形成目前釩電池產(chǎn)業(yè)鏈可以劃分為上游原材料、中游電池制造、下游應(yīng)用。上游原材料主要包括五氧化二釩、硫酸、電極、雙極板、離子傳導(dǎo)膜以及其他零部件。中游電池制造環(huán)節(jié)首先將原材料加工成電解液、電堆等核心零部件，并進(jìn)一步集成為電池系統(tǒng)；釩全液流電池的下游應(yīng)用是儲能，包括在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用電側(cè)。上游：釩資源存在廣泛，中國產(chǎn)量占全球七成釩在自然界中分布廣泛，存在于約65種礦物和化石燃料沉積物中，其中釩鈦磁鐵礦最為主要，磷塊巖礦、石煤、含碳質(zhì)原油、煤、油頁巖及瀝青沙亦有所補(bǔ)充，中國釩資源主要存在于釩鈦磁鐵礦和含釩石煤中。從資源儲量來看，全球釩元素儲量豐富，根據(jù)美國國家地質(zhì)局（USGS），2022年全球釩元素資源儲量達(dá)到2556萬噸，但主要集中在中國、俄羅斯、澳大利亞、南非四國，其中中國儲量占比最高，為37%。產(chǎn)量上，2022年全球V2O5產(chǎn)量約10萬噸，中國占7萬噸，是最主要的產(chǎn)釩國。釩的消費(fèi)結(jié)構(gòu)主要包括釩鐵合金、非鐵合金、化學(xué)品以及釩電池，2000-2019年，釩鐵合金占釩消費(fèi)量的90%左右。而釩電池的消費(fèi)量不斷增長，根據(jù)《中國釩資源全生命周期動態(tài)物質(zhì)流分析》（簡小枚，汪鵬，陳瑋，段臨林，王鶴鳴，陳偉強(qiáng)），2010年我國釩在電池領(lǐng)域的消費(fèi)量為0.1萬噸，2019年已增長至1.1萬噸，10年增長了11倍。釩資源主要利用酸浸堿溶、鈉化焙燒、直接焙燒和鈣化焙燒等提釩技術(shù)提取，V2O5暨其他氧化物（如V2O3）是冶煉階段的主要產(chǎn)物，之后再通過物理法、化學(xué)法或電解法制得電解液。目前1kWh電解液大約使用8-9公斤五氧化二釩，1Gwh全釩液流電池約使用0.8~0.9萬噸，約當(dāng)前年度全球產(chǎn)量的10%。因此，如果全釩液流電池未來有所放量，上游釩資源需求將會持續(xù)擴(kuò)大。中游：電解液制造與電堆集成是核心環(huán)節(jié)釩電池產(chǎn)業(yè)鏈的中游制造環(huán)節(jié)主要涉及電解液生產(chǎn)、電堆裝配和控制系統(tǒng)集成。中游制造集成廠商通過采購上游原材料，制備電解液，同時(shí)對電堆進(jìn)行集成，最后再對系統(tǒng)進(jìn)行集成。其中電解液的純度和配方、電堆集成的技術(shù)水平?jīng)Q定了各家廠商的競爭力。電解法是電解液工業(yè)生產(chǎn)的主流方法。目前全釩液流電池電解液的制備分為物理法、化學(xué)法、電解法。物理法是將高純VOSO4直接溶于硫酸中，制得VRFB電解液，但VOSO4價(jià)格偏高，制得電池能量密度較低，規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)有所限制；化學(xué)法是將V2O5使用還原劑如單質(zhì)硫、有機(jī)酸類、醇等還原于易溶于水的VOSO4，或者是混合價(jià)態(tài)的釩離子，但由于此方法不可避免引入雜質(zhì)離子，導(dǎo)致電解液釩離子濃度低，電池性能低，高純V2O5成本較高；電解法利用電解槽，在陰極加入含有V2O5或NH4VO3的硫酸溶液、陽極加入硫酸鈉或硫酸溶液，在兩級中通直流電，生成低價(jià)釩溶液。該方法工藝簡單，無雜質(zhì)離子引入，可以根據(jù)需要大批量生產(chǎn)不同價(jià)態(tài)的電解液。目前電解法制備電解液的技術(shù)大部分以專利形式進(jìn)行保護(hù)。電解液純度和配方?jīng)Q定產(chǎn)品性能差異，是中游環(huán)節(jié)的核心壁壘。各家廠商電解液的區(qū)別主要在于電解液的純度，以及包括穩(wěn)定劑在內(nèi)的電解液配方。為保證電解液在長期運(yùn)行條件下電解液性能和儲能容量不衰減，電解液中的雜質(zhì)離子含量應(yīng)限定在一定濃度下。電解液中的雜質(zhì)離子及含量主要取決于原材料及生產(chǎn)工藝，因此原材料品質(zhì)和生產(chǎn)除雜工藝會導(dǎo)致各廠商產(chǎn)品的品質(zhì)差異。此外，包括穩(wěn)定劑在內(nèi)的電解液配方對電解液產(chǎn)品的性能也有很大影響。電堆集成同樣存在壁壘，關(guān)鍵在于定位和裝配壓力均勻性。雙極板、密封件、電極框、電極、離子傳導(dǎo)（交換）膜、電極、電極框、密封件、雙極板材料疊合在一起構(gòu)成全釩液流電池的一節(jié)單電池，數(shù)節(jié)或數(shù)十節(jié)單電池以壓濾機(jī)的方式疊放在一起并在兩側(cè)裝有集流板、端板就組裝出液流電池電堆。電堆組裝過程中關(guān)鍵步驟有兩個(gè)方面。一是定位，電堆組件隨著電池節(jié)數(shù)的增多顯著增加，一個(gè)30kW的電堆大約由50節(jié)單電池組成，組件有幾百件，將這些組件逐一地按定位結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝，可以避免錯(cuò)位，以保證電解液的均勻分配和防止漏液；二是裝配的壓力均勻性，在壓力機(jī)加壓時(shí)，施壓面與端板的平行度及加壓速度極為重要，平行度不好或者運(yùn)行速度過快都會導(dǎo)致電堆的變形，甚至組件彈出等問題出現(xiàn)。下游：發(fā)電/電網(wǎng)側(cè)應(yīng)用是主流方向全釩液流電池儲能屬于長時(shí)間儲能，目前對長時(shí)間儲能并沒有明確定義，但超過儲能時(shí)間超過4小時(shí)的通常被成為長時(shí)儲能。長時(shí)儲能與短時(shí)儲能的分工不同，短時(shí)儲能主要用于應(yīng)對電力系統(tǒng)的短期負(fù)荷波動或頻率調(diào)節(jié)，長時(shí)儲能主要實(shí)現(xiàn)跨日至跨季節(jié)的儲能需求，以保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著可再生能源的滲透率提升，電力系統(tǒng)對電力儲存的需求增大，對更長周期維度的調(diào)峰要求也更高，長時(shí)間儲能的地位將會日益凸顯。長時(shí)儲能在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)均能夠有所應(yīng)用，典型應(yīng)用場景包括高風(fēng)光發(fā)電比例下的能量管理、約束管理、孤島運(yùn)行、備用與黑啟動、工商業(yè)應(yīng)用電表后儲能。發(fā)電側(cè)長時(shí)儲能需求正在醞釀。從與其他路線的競爭而言，未來液流儲能電池的發(fā)展方向主要在發(fā)電側(cè)的聯(lián)合新能源進(jìn)行調(diào)峰并提供輔助服務(wù)、電網(wǎng)側(cè)的延緩輸配電設(shè)備擴(kuò)容以及用戶側(cè)的峰谷套利。儲能系統(tǒng)在火電廠的應(yīng)用主要是調(diào)峰調(diào)頻，對儲能時(shí)長要求不高，同時(shí)火電進(jìn)行靈活性調(diào)峰改造的成本遠(yuǎn)低于安裝相同功率的電化學(xué)儲能設(shè)備，因此液流電池在火電廠應(yīng)用困難。在發(fā)電側(cè)的新能源部署下，上網(wǎng)電價(jià)低和相應(yīng)政策缺乏使儲能系統(tǒng)缺乏盈利模式，盡管全國大部分地區(qū)強(qiáng)制要求新能源項(xiàng)目按10%-20%裝機(jī)，但由于儲能時(shí)間較短，液流電池相對鋰離子電池競爭力不強(qiáng)。但國家發(fā)改委、能源局于2021年8月發(fā)布了《關(guān)于鼓勵可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購買調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模的通知》，提出超過電網(wǎng)企業(yè)保障性并網(wǎng)以外的規(guī)模初期按照功率15%的掛鉤比例（時(shí)長4h以上）配建調(diào)峰能力，按照20%以上掛鉤比例進(jìn)行配建的優(yōu)先并。其中4h以上的儲能市場要求給了液流電池很大的發(fā)揮空間和應(yīng)用可能性，因此可以預(yù)期液流電池配合新能源電站增加并網(wǎng)規(guī)模的探索會增加，配合新能源進(jìn)行調(diào)峰并提供輔助服務(wù)將成為液流電池重要的應(yīng)用方向。電網(wǎng)側(cè)長時(shí)儲能需求因電網(wǎng)穩(wěn)定而較少。電網(wǎng)側(cè)，在國外，許多區(qū)域性電網(wǎng)、微網(wǎng)穩(wěn)定性較差，覆蓋范圍小，沒有合適的抽蓄、壓縮空氣電站建設(shè)資源，液流電池在世界范圍內(nèi)主要部署場景也在這方面，通過部署4小時(shí)以上儲能電站提高整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，對于延緩輸配電設(shè)備擴(kuò)容也是液流電池適用的應(yīng)用場景，只是中國電網(wǎng)的高度穩(wěn)定性使該應(yīng)用場景較為少見。用戶側(cè)長時(shí)儲能需求主要來自峰谷套利。用戶側(cè)，峰谷套利是能夠獲得盈利的儲能應(yīng)用方向，其商業(yè)模式也比較明晰。長期來看，隨著新能源發(fā)電占比越來越高，我們認(rèn)為該方向也將成為液流電池的重要應(yīng)用和發(fā)展方向。全釩液流電池技術(shù)已在多種場景下實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證我們在每一個(gè)場景下選取了一個(gè)代表項(xiàng)目進(jìn)行介紹。發(fā)電側(cè)，以大聯(lián)融科參與的國電龍?jiān)磁P牛石5MW/10MWh全釩液流電池儲能應(yīng)用示范電站為例，該項(xiàng)目于2012年12月并網(wǎng)運(yùn)行，并于2013年5月通過驗(yàn)收，所有指標(biāo)都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)已無故障運(yùn)行十年，系全球范圍內(nèi)迄今運(yùn)行時(shí)間最長的兆瓦級全釩液流電池系統(tǒng)。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了包括平滑輸出、提高風(fēng)電場跟蹤計(jì)劃發(fā)電能力、暫態(tài)有功出力緊急響應(yīng)和暫態(tài)電壓緊急支撐、調(diào)峰調(diào)頻等功能，充分驗(yàn)證了全釩液流電池對于風(fēng)電波動控制、計(jì)劃發(fā)電能力和響應(yīng)電網(wǎng)服務(wù)的功能。電網(wǎng)側(cè)，遼寧大連液流電池儲能調(diào)峰電站一期工程于2022年10月正式并網(wǎng)。該項(xiàng)目規(guī)模為200MW/800MWh，一期工程100MW/400MWh。該項(xiàng)目定位參與電網(wǎng)調(diào)峰、可再生能源接入、緊急電源及黑啟動。除削峰填谷之外，調(diào)峰電站也可以在發(fā)生極端情況，電網(wǎng)與外部電源全部中斷的情況下，為政府、醫(yī)院、電視臺等重要部門和單位提供超過4小時(shí)以上電能，也可以為附近的北海熱電廠提供黑啟動電源。用戶側(cè)，以日本住友電工于橫濱工廠的微電網(wǎng)儲能電站項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目于2012年7月開始試運(yùn)行，全釩液流電池系統(tǒng)規(guī)模為1MW/5MWh。該微電網(wǎng)系統(tǒng)由28臺聚光光伏（最大總發(fā)電200kW）、全釩液流電池系統(tǒng)和6臺燃?xì)獍l(fā)電機(jī)系統(tǒng)（總計(jì)3.6MW）組成，主要期望實(shí)現(xiàn)工廠維度的削峰填谷、平衡太陽能發(fā)電波動、穩(wěn)定供電等作用。該項(xiàng)目的目的是驗(yàn)證全釩液流電池技術(shù)的長期穩(wěn)定性及性能，衡量電池穩(wěn)定性的庫倫效率和電池電阻長期內(nèi)無明顯變化，表明該項(xiàng)目運(yùn)行良好。2025年全釩液流電池市場空間或?qū)⑦_(dá)到58億元電解液和膜構(gòu)成釩電池70%的成本。目前全釩液流電池系統(tǒng)的成本主要由電解液以及電堆中膜、雙極板等零部件構(gòu)成，電解液占總成本比例中的43%，構(gòu)成最為主要的成本，膜占總成本的27%，與電解液合計(jì)占成本比重的70%。而電堆中其他零部件，包括雙極板、碳?xì)?、框架等占總成本?%-3%不等。全釩液流電池的儲能介質(zhì)（電解質(zhì)）和發(fā)電部件（電堆）在物理上是分開的，因此全釩液流電池系統(tǒng)的成本構(gòu)成又可分為電解液成本和除電解液外的電池儲能價(jià)格。根據(jù)《全釩液流電池的技術(shù)進(jìn)展、不同儲能時(shí)長系統(tǒng)的價(jià)格分析及展望》（張華民），當(dāng)五氧化二釩價(jià)格為10萬元/噸時(shí)，電解液價(jià)格為1500元/h。當(dāng)儲能時(shí)長為1h時(shí)，除電解液的儲能系統(tǒng)價(jià)格為6000元/kW，再加上電解液價(jià)格1500元/kWh，儲能系統(tǒng)的總價(jià)格是7500元/kWh。當(dāng)儲能時(shí)長為4h，除電解液的儲能系統(tǒng)價(jià)格6000元/kWh由4h分?jǐn)?，每小時(shí)分?jǐn)倿?500元/kWh，加上電解液1500元/kWh，儲能系統(tǒng)的總價(jià)格就是3000元/kWh。隨著儲能時(shí)長的提高，儲能系統(tǒng)整體單kWh價(jià)格會有所下降。2023年以來，全釩液流電池備案裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.6GW/6.5GWh。根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2022年底，我國已投運(yùn)新型儲能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模為8.7GW，液流電池儲能占比1.6%，因此可以推算得出全釩液流電池已投運(yùn)規(guī)模為139.2MW，相對比例和絕對規(guī)模都較少。但今年以來液流電池行業(yè)發(fā)展迅速，根據(jù)GGII儲能數(shù)據(jù)庫，2023年以來液流電池備案及中標(biāo)項(xiàng)目共1.6GW/6.5GWh，是目前已投運(yùn)規(guī)模的十倍以上。盡管項(xiàng)目備案公示距離最終的裝機(jī)上量有一定時(shí)間，也有一定的不確定性，但我們認(rèn)為較大的項(xiàng)目備案規(guī)模反映了業(yè)內(nèi)對行業(yè)前景的樂觀預(yù)期。預(yù)計(jì)2025年新增全釩液流電池裝機(jī)規(guī)模達(dá)到0.53GW。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNSEA）數(shù)據(jù)，截至2022年底，我國新型儲能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到13.1GW/27.1GWh，其中液流電池裝機(jī)規(guī)模約157.2MW，占比1.2%。在新能源發(fā)電占總發(fā)電比例日益提升的背景下，預(yù)計(jì)長時(shí)儲能的重要性將得到凸顯，液流電池的滲透率將會逐漸提高。考慮當(dāng)前全釩液流電池已備案裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.6GW，相比2022年末裝機(jī)的157MW大幅增加，我們審慎地認(rèn)為全釩液流電池在2027年新增新型儲能裝機(jī)中的滲透率或會提升至5%。參考CNSEA作出的關(guān)于新型儲能裝機(jī)整體的預(yù)測，再結(jié)合全釩液流電池滲透率逐步提高的假設(shè)，我們認(rèn)為到2025年，新增全釩液流電池裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到0.53GW，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模1.15GW；到2027年，新增裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到1.07GW，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模約2.99GW。具體的市場規(guī)模上，因?yàn)槿C液流電池的定位是長時(shí)配儲，同時(shí)配儲時(shí)間越長，單位成本更低，因此在計(jì)算市場規(guī)模時(shí)，我們假設(shè)全釩液流電池均配儲4小時(shí)，對應(yīng)價(jià)格為3000元/kWh。在《Researchandanalysisofperformanceimprovementofvanadiumredoxflowbatteryinmicrogrid:Atechnologyreview》（ZeboHuang,AnleMu）論文認(rèn)為全釩液流電池單位成本在2018/2025年/2030年分別為500/300/250美元/kWh，2025年至2030年預(yù)計(jì)累計(jì)降幅16.7%?？紤]到目前的行業(yè)發(fā)展趨勢，我們認(rèn)為我國全釩液流電池未來若干年的成本會逐年以個(gè)位數(shù)降幅下降。在以上假設(shè)下，我們預(yù)測2025年全釩液流電池市場規(guī)模將達(dá)到58.1億元，2027年將達(dá)到109.3億元，2023E-27E復(fù)合增長率為55.51%。相關(guān)公司上游原材料企業(yè)積極布局電解液環(huán)節(jié)。原材料環(huán)節(jié)產(chǎn)能位居前列的是釩鈦股份與河鋼股份，釩年產(chǎn)能分別為4萬噸/年和2.2萬噸/年，兩者合計(jì)占據(jù)國內(nèi)近一半的釩產(chǎn)品市場份額。釩鈦股份對釩電池的態(tài)度較為積極，與大連融科簽訂了《戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，目前正在開展釩電解液研發(fā)項(xiàng)目，自身也有一定的技術(shù)積累；河鋼股份也成功研發(fā)了釩電池電解液產(chǎn)品。安寧股份直接銷售釩鈦鐵精礦，但在釩電解液制備方面也有一定技術(shù)儲備。非釩行業(yè)的部分公司的釩礦資源以及釩電池產(chǎn)業(yè)鏈也表現(xiàn)積極，中核鈦白與電堆廠商四川偉力得進(jìn)行合作，尋求釩礦資源并準(zhǔn)備后續(xù)電解液產(chǎn)線建設(shè)；煤炭公司永泰能源對各產(chǎn)業(yè)鏈均進(jìn)行布局，包括釩礦、電解液以及電堆產(chǎn)線，項(xiàng)目正在建設(shè)之中。中游企業(yè)普遍歷史較長，經(jīng)驗(yàn)豐富。中游電堆制造與系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)的企業(yè)絕大部分成立時(shí)間在10年以上，有一定的研發(fā)積累，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)豐富。發(fā)展路線上，大連融科由大連融科儲能集團(tuán)和中科院大連物化所共同組建，技術(shù)主要來源于科研院所的技術(shù)轉(zhuǎn)化；北京普能于2007年成立，2009年收購加拿大VRB，并在全球范圍內(nèi)安裝投運(yùn)數(shù)十個(gè)項(xiàng)目。國網(wǎng)英大、上海電氣、湖南銀峰、四川偉力得等廠商均多年深耕，同時(shí)也有項(xiàng)目成功落地。下游企業(yè)主要為電網(wǎng)和發(fā)電企業(yè)。目前釩電池產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用的投資主體主要是電網(wǎng)以及發(fā)電企業(yè)，包括大唐電力、國投電力、中廣核電力、國家能源集團(tuán)、華電國際等，主要原因是當(dāng)前全釩液流電池初始投資成本較高，行業(yè)整體又由新能源發(fā)電側(cè)強(qiáng)制配儲要求推進(jìn)，而電網(wǎng)和大型電力企業(yè)有足夠財(cái)力和動機(jī)進(jìn)行應(yīng)用。鐵鉻、鋅溴技術(shù)路線商業(yè)化尚在醞釀除全釩液流電池外，鋅溴液流電池和鐵鉻液流電池也有望實(shí)現(xiàn)成功商業(yè)化，當(dāng)前正處于示范應(yīng)用階段。與全釩液流電池相比，鋅溴電池具有能量密度更高、原材料來源豐富、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。然而鋅溴液流電池存在鋅枝晶問題、循環(huán)次數(shù)有限、溴具備腐蝕性、高揮發(fā)性及穿透性、容量同功率無能完全解耦、大尺寸電池場景下電對系統(tǒng)壓降大以及損失效率高等劣勢，鐵鉻液流電池存在可逆性差、負(fù)極析氫，電池最佳工作溫度較高等劣勢，因此目前在商業(yè)化程度和技術(shù)成熟度上尚無法到達(dá)全釩液流電池技術(shù)的高度，克服這些劣勢需要依靠企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)持續(xù)的研發(fā)。鐵鉻液流電池成本較低，但尚存技術(shù)難點(diǎn)鐵鉻液流電池和全釩液流電池結(jié)構(gòu)類似，同樣由能量單元、功率單元、配套系統(tǒng)組成，兩者的主要區(qū)別在于電解液的不同，鐵鉻液流電池使用FeCl2和CrCl3的鹽酸溶液作為正負(fù)極電解液，上游主要為鉻鹽。在其他零部件上兩者的區(qū)別并不大，鐵鉻液流電池電堆中的電極同樣選取碳?xì)帧⑹珰?，略有不同之處在于對電極材料進(jìn)行改性的方法不同；離子交換膜目前也同樣采用Nafion系列全氟磺酸離子交換膜，與釩電池一致；雙極板采用石墨材料；電堆整體也由多個(gè)單電池以壓濾機(jī)的方式疊加緊固而成。在配套系統(tǒng)上則更為一致，泵和管路甚至采用的是同樣的產(chǎn)品。鐵鉻液流電池相比于全釩液流電池在技術(shù)上存在劣勢。從單堆功率來看，目前全釩能夠做到200-400kW，而鐵鉻不足100kW，技術(shù)成熟度有所差距；運(yùn)行期間的安全性方面，鐵鉻液流電池有難以解決的負(fù)極“析氫”問題，而全釩液流電池沒有，因此全釩液流電池在技術(shù)上整體優(yōu)勢更大。但鐵鉻液流電池也擁有一定優(yōu)勢，首先是成本較低，根據(jù)國家電投測算，鐵鉻液流電池的單位初始投資成本為2800元/kWh，低于全釩液流電池的3250元/kWh，且有望在“十四五”末降至1500元/kWh；其次是運(yùn)行溫區(qū)較全釩液流電池更廣；所采用稀鹽酸電解液的毒性和腐蝕性也比全釩液流電池采用的硫酸溶液弱。成本構(gòu)成方面，根據(jù)ChuanyuSun,ZhangHuan于2019年進(jìn)行的測算，采用Nafion膜的鐵鉻液流電池成本約194美元/kWh，其中膜成本占比39%，PCS占比14%，電極和電解質(zhì)分別占比11%和9%。因?yàn)殡姵厮捎媚づc全釩液流電池一致，若后續(xù)膜的成本快速下降，鐵鉻液流電池的整體成本亦能夠快速下降，從而更具備成本競爭力。目前，鐵鉻液流電池在我國的研發(fā)和應(yīng)用主要由國家電力投資集團(tuán)（國電投）推動。2019年11月，國電投中央研究院研發(fā)的首個(gè)31.25kW鐵鉻液流電池電堆（“容和一號”）成功下線，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。國電投聯(lián)合上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司（上海成套院）開展國內(nèi)首個(gè)百千瓦級鐵鉻液流電池儲能示范項(xiàng)目建設(shè)工作，2020年12月，建成了250MW/1.5MWh液流電池光儲示范項(xiàng)目（沽源戰(zhàn)石溝光伏電站）。2023年8月，內(nèi)蒙霍林河三模鐵鉻混合儲能項(xiàng)目投運(yùn)，該項(xiàng)目中的鐵鉻液流電池裝置由國電投旗下上市公司電投能源進(jìn)行建設(shè)。除國電投外，中海儲能、華電國際等多家公司均在推進(jìn)鐵鉻液流電站及相關(guān)裝置建設(shè)。根據(jù)振華股份公告，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2023年已簽約鐵鉻液流電站項(xiàng)目容量合計(jì)約1.5GWh。鐵鉻液流電池的發(fā)展相對全釩液流電池更為早期，因此產(chǎn)業(yè)鏈上公司的數(shù)量更少，上游鉻鹽企業(yè)主要是振華股份，中游電堆及集成企業(yè)包括國電投、江蘇恒安儲能、中海儲能、液流儲能等。我們認(rèn)為鐵鉻液流電池進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的條件是技術(shù)的進(jìn)步，尤其是針對鉻離子活性、可逆性、負(fù)極析氫、電解液結(jié)晶析出等技術(shù)難點(diǎn)的突破。盡管部分廠商在技術(shù)上有所進(jìn)展和突破，但國內(nèi)目前正在運(yùn)行的規(guī)模最大的鐵鉻液流電池規(guī)模為250kW/1.5MWh，而全釩液流電池項(xiàng)目示范規(guī)模達(dá)到了100MW/400MWh，成型的鐵鉻液流電池產(chǎn)品尚未在大型項(xiàng)目中得到充分驗(yàn)證，因此距離全面商業(yè)化或仍有一段距離。盡管如此，我們認(rèn)為鐵鉻液流電池的成本優(yōu)勢明顯，技術(shù)若經(jīng)充分驗(yàn)證將在長時(shí)儲能占據(jù)一席之地。鋅溴液流電池技術(shù)難點(diǎn)對發(fā)展有所制約鋅溴液流電池與全釩液流電池和鐵鉻電池有所不同，政府及電解液均為溴化鋅溶液，充電時(shí)鋅離子還原為金屬鋅沉積在負(fù)極上，放電時(shí)金屬鋅氧化為鋅離子溶于電解液中，因此屬于沉積型液流電池，而全釩和鐵鉻路線在充放電時(shí)沒有固體物質(zhì)沉積在電極，屬于非沉積型液流電池。其正極采用Br-/Br2電對，充電時(shí)溴離子氧化為游離的溴單質(zhì)，因?yàn)槠鋸?qiáng)氧化性和腐蝕性所以需要添加絡(luò)合劑來捕捉，從而形成可逆的絡(luò)合物，而全釩和鐵鉻路線則不需要絡(luò)合劑。技術(shù)上，鋅溴液流電池的負(fù)極側(cè)會出現(xiàn)析氫的副反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)容易產(chǎn)生鋅枝晶刺穿隔膜降低整個(gè)電池的性能，鋅枝晶不僅會降低鋅的氧化還原可逆性，而且在電池放電時(shí)易從中間斷開掉落，從而影響電池壽命。此外鋅溴容易中的溴是易揮發(fā)的溶液，同時(shí)具有腐蝕性和穿透性，電池整體需要考慮防腐和防污染問題。此外，因?yàn)殇\溴液流電池為沉積型液流電池，其容量同功率不能完全解耦，還存在容量收到鋅電極的限制問題。根據(jù)ESPlaza長時(shí)儲能網(wǎng)報(bào)道，在黃河水電百M(fèi)W光伏項(xiàng)目中，安裝的1MWh鋅溴液流電池實(shí)際運(yùn)行的循環(huán)效率低于60%，受技術(shù)問題制約明顯。鋅溴液流電池的優(yōu)勢主要在其成本，包括其電極及隔膜材料的主要成分均為塑料，不含重金屬，價(jià)格低廉，可回收利用且對環(huán)境友好；其溶液為常見的油田化學(xué)品，價(jià)格低廉，原料易得；鋅和溴也是較為常見的資源。鋅溴液流電池采用的隔膜是一種微孔膜，不是質(zhì)子交換膜，價(jià)格便宜，進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格100元/平米，國產(chǎn)產(chǎn)品價(jià)格50元/平米，遠(yuǎn)低于全釩液流電池和鐵鉻液流電池所使用的nafion膜價(jià)格。根據(jù)《液流電池商業(yè)化進(jìn)展及其在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景》（宋子琛、張寶鋒、童博、鐘祎勍、亢猛）論文，當(dāng)前4小時(shí)儲能時(shí)長的鋅溴液流電池成本為2000~3000元/kWh。目前國內(nèi)運(yùn)行的鋅溴液流電池示范項(xiàng)目較少。技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)上主要以北京百能匯通（鋅溴業(yè)務(wù)目前被恒安儲能收購）、安徽美能儲能系統(tǒng)有限公司、陜西華銀、特變電工股份有限公司為主。百能匯通2016年為華能拓日格爾木光伏電站設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)合型儲能系統(tǒng)，包含采用1MW/4MWh的鋅溴液流電池，2018年在黃河水電百M(fèi)W光伏發(fā)電實(shí)證基地20MW儲能項(xiàng)目中提供了1MWh鋅溴液流電池系統(tǒng)。2017年，陜西華銀下屬的華秦儲能技術(shù)有限公司（華秦科技）同大連化物所合作開發(fā)了國內(nèi)首套5kW/5kWh鋅溴單液流電池儲能示范系統(tǒng)，在陜西省安康市陜西華銀廠區(qū)內(nèi)投入運(yùn)行。鋅溴單液流電池有別于傳統(tǒng)鋅溴液流電池技術(shù)，其正負(fù)極采用相同電解質(zhì)溶液，將正負(fù)極的儲罐合并，只需要1套電解液儲存及循環(huán)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，PrimusPower公司的EnergyPod2產(chǎn)品同樣采用了單液流的形式。因此，從當(dāng)前看，鋅溴液流電池的技術(shù)難點(diǎn)仍需要進(jìn)一步克服，示范項(xiàng)目的絕對數(shù)量和規(guī)模仍然較小，該技術(shù)路線距離成功商業(yè)化仍有距離。行業(yè)前景展望降本是當(dāng)前行業(yè)發(fā)展的首要工作根據(jù)前文，目前全釩液流電池中成本中43%是電解液，27%是膜，其他零部件合計(jì)占比約30%。因此電解液和膜的降本是全釩液流電池降本的重點(diǎn)方向。電解液的降本途徑主要包括降低單kWhV2O5用量、減少加工費(fèi)用、電解液租賃。根據(jù)《全釩液流電池的技術(shù)進(jìn)展、不同儲能時(shí)長系統(tǒng)的價(jià)格分析及展望》（張華民），在V2O5價(jià)格為10萬元/噸的條件下，釩電解液的價(jià)格為1500元/kWh，目前1kWh釩電解液需要使用8~9kgV2O5，因此僅V2O5的成本就有800-900元，占成本的60%左右，余下的600元則主要是加工費(fèi)用。電解液單位用量的降低取決于配方的研發(fā)。降低V2O5成本的路徑首先是降低單kWhV2O5的用量，理論上儲存1kWh的電能需要5.6kgV2O5，在電解液的利用率為70%的條件下，實(shí)際上儲存1kWh的電能大約需要8kgV2O5，這也是當(dāng)前行業(yè)的平均水平。如果將電解液利用率提高至80%，實(shí)際上儲存1KWh的電能大約需要7kgV2O5，V2O5用量減少12.5%，原材料成本也會有對應(yīng)下降。提高電解液利用率實(shí)際上就是在充放電的電壓范圍提升它的活性，可以通過在電解液的添加劑實(shí)現(xiàn)，這一降本路徑取決于廠商對添加劑在內(nèi)的電解液配方的研發(fā)。規(guī)模效應(yīng)和生產(chǎn)流程縮短能夠降低加工費(fèi)用。加工費(fèi)用上，目前全釩液流電池行業(yè)仍然在發(fā)展，規(guī)模仍然較小，若后續(xù)需求擴(kuò)大帶動產(chǎn)能和產(chǎn)量增加，單kW加工費(fèi)用將因規(guī)模效應(yīng)減少。此外，目前我國電解液的生產(chǎn)需要經(jīng)歷由釩渣/石煤到V2O5，再由V2O5到電解液共兩個(gè)環(huán)節(jié)，如果直接由釩渣/石煤制作電解液，生產(chǎn)流程將會縮短，成本也會因此而下降。電解液租賃可降低項(xiàng)目初始投資成本。在釩電池充/放電過程中，僅僅是涉及到電解液中釩離子的價(jià)態(tài)變化，電解液中的釩離子并不會被消耗，因此釩電解液在長時(shí)間使用后殘值率較高，可循環(huán)使用。在釩電池初始投資成本較高的情況下，電解液租賃模式應(yīng)運(yùn)而生。該模式由租賃公司出資購買電解液，液流電池出資方與租賃公司簽訂租賃合同，向租賃公司支付租金。出資方初始投資的前期投資壓力降低，項(xiàng)目現(xiàn)金流得到優(yōu)化，電解液租賃公司也能夠獲得穩(wěn)定的現(xiàn)金流。該模式已經(jīng)在大連融科和海螺融華的“樅陽海螺水泥6MW36MWh項(xiàng)目”得到首次應(yīng)用。膜成本的降低主要來自于國產(chǎn)替代以及其他品種膜的開發(fā)。目前全球范圍內(nèi)全釩液流電池主要采用的膜是美國Nafion膜，價(jià)格高昂。根據(jù)《樂山偉力得全釩液流電池儲能系統(tǒng)智能生產(chǎn)線技改擴(kuò)建項(xiàng)目建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告表》，生產(chǎn)1kW全釩液流電池需要消耗的膜面積為0.83平米。如果按nafion膜每平米一萬元的價(jià)格計(jì)算，1kW/4kWh系統(tǒng)中膜成本約為830元，占總成本的27.7%。如果膜價(jià)格下降至原來的一半或是僅1/10，單kW膜成本或僅415元、83元，成本大幅下降。根據(jù)星辰新能董秘許曉晨在2023年5月接受第一財(cái)經(jīng)采訪中