液流电池的发展现状及市场前景分析

摘 要：在当今能源结构转型升级过程中，大规模高容量的储能技术越来越受到世界各国的重视。液流电池因为其结构特殊性、安全环保、长寿命等特点，在大规模储能技术的应用上具有可观的前景，但成本高和技术不成熟等问题一直制约着液流电池的普及推广。本文从全钒液流电池和新型液流电池的角度分析了液流电池的发展现状;同时从各国对大规模储能技术的需求以及智能电网和分布式储能两大方向分析了液流电池的市场需求，并结合研究进展和市场需求对液流电池进行了前景分析。

关键词：全钒液流电池;新型液流电池;大规模储能;市场需求;商业化应用;前景

0 引言

自19世纪工业革命以来，化石燃料一直被大规模开采利用到各个方面，如今由化石燃料燃烧所造成的环境危害已愈发严重。因此，能源转型已成为21世纪的主流趋势，各国都在开发利用各种可再生绿色能源，而储能系统则扮演了这次能源转型中最重要的角色[1]。据预测，2020年储能技术的全球市场份额将达到近六千亿美元[2]。随着储能技术不断发展和完善，各国对大容量和综合性能优越的储能技术的研发和需求也更显著。凭借着安全性高、容量大、寿命长等特点，液流电池在全球储能市场上越发受到重视，在当今研发大容量高效能储能技术的趋势中很有前景[3]。

1 液流电池原理

液流电池由一个电池堆和两个储液罐组成。电池堆部分包括两个惰性电极和离子交换膜，电解液分别放置在外部两个不同的存储罐中。电池工作时，循环泵会将电解液送入反应室中循环流动而发生反应，其中离子交换膜阻止活性物质的渗透，允许电解质溶剂的交换。

与传统二次电池相比，液流电池的特点在于正负极活性物质以液体的形式分别存放在两个电解液罐中，其容量取决于电解液的储量和浓度，输出功率取决于电池堆的大小。功率和容量两者互不干涉，可以根据实际需求灵活调整，这使得液流电池具有丰富的应用场景[1]。

2 液流电池研究现状

2.1 全钒液流电池（VRB）

全钒液流电池的两个储液罐中溶有不同价态钒离子的硫酸溶液，电池工作时，通过钒元素不同价态的变化来完成电能→化学能的转变，从而实现电能的储存，反应机理如下：

全钒液流电池具有循环寿命长（>200000次）、响应速度快（亚秒级）、安全环保，易实现规模化（MW级）等特点[1，4]，而且其正负极材料只有钒一种元素，避免了正负极交叉感染的问题，目前主要应用于分布式发电、可再生能源发电等大规模储能系统。

2.1.1 电堆

对全钒液流电池来说，构成电堆的电极、离子传导膜、双极板以及钒电解液是电池的关键材料，是技术突破和降低成本重点。在我国，处于国际领先地位的大连融科储能实际储能工程应用项目中，电堆的工作电流密度在2017年已经提高至120-160mA/cm2，不仅提高了电堆的功率密度，也大大降低了成本。我国科学院大连化学物理研究所团队研究报道了300cm2的单电池在保持电池充放电能量效率大于80%的前提下，电池的工作电流密度提高到了300 mA/cm2，实现了电池材料和电堆结构的创新;同时，千瓦电堆在保持电堆充放电能量效率大于80%的前提下，电堆的工作电流密度可以达到200mA/cm2以上，这使得全钒液流电池的储能系统成本下降到1800元/kW·h@1MW/5MW以下[5]。

在全钒液流电池储能系统的可靠性方面，大连融科储能建造的5MW/10MW·h全钒液流电池储能电站近7年来都能保持稳定运行，同时日本住友电功建造的15MW/60MW·h全钒液流电储能电站也得到了世界的认可。

2.1.2 电解液

钒电解液决定了电池的容量，与电池的总体性能和成本密切相关。我国大连博融新材料有限公司自主研发生产了以高纯钒氧化物为原料的硫酸体系电解液和混合酸体系电解液，产品质量能够和美国Straco、德国GFE公司相媲美，得到了世界的认可。同时，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队根据不同价态钒离子在溶解度和稳定性上差异大的不足，提出了钒离子络合效应和溶液自由能调控的思想，对晶核的形成有明显的抑制作用，并提高了电解液的稳定性。在此基础上，该研究团队成功研发出了高稳定性和高浓度窗口的电解液，并掌握了制备技术，成功建设了年产300MW·h的自主电解液生产线，现已经规模生产和批量出口。

2.2 新型液流电池

钒液流电池由于钒元素本身成本高的问题，大大限制了其一直以来的普及应用能力，因此，为降低成本，探究除钒以外含量丰富的元素（如铁、锌、锰等）以作为液流电池电解液活性成分的工作也是一直以来的研究热点，在此基础上也开发出了众多新型液流电池。

①在全铁液流电池研究方面，Savinell等利用在流動的碳颗粒上可逆电镀铁金属的方法，提高了全铁液流电池的性能;

②在锌--碘单液流电池方面，Xie等利用高浓度电解液满足锌在负极的沉积面积，且电池充电可接近于100%荷电状态（I-充电至完全转变为I2）的方式，设计出一种高能量密度（理论能量密度240Wh/L）、长循环寿命和结构简单的锌--碘液流电池;

③近年来，另一种利用碳、氧、硫、氮等元素组成有机物的蒽醌类液流电池也逐渐成为研究重点。最初由Aziz等首次提出碱性醌类液流电池，由于其成本廉价性被人们广泛关注[4]，Yang等报道的基于硫酸铁（来自钢铁工业废品）和蒽醌二磺酸的新型液流电池表现出了优越的电气性能、容量保持性和耐用性[6]。

尽管相较于钒液流电池，上述新型液流电池的性能还有待提高，但其成本方面的突出优势为大规模可持续能源储存系统的研发和商业化提供了新的思路和良好的前景。

3 市场需求

目前，在能源转型升级的过程中，化石能源的市场将逐步缩小，而可再生能源的应用是必然的趋势。当下能较好实现商业化应用的可再生能源主要为太阳能和风能，但两者受自然气候条件的影响均较大，往往会造成能源过剩或用时不足的情况，能源供给不稳定。因此，为解决可再生能源供需不平衡的情况，大规模高容量储能技术的应用将十分迫切，市场需求也会逐步扩大。

一直以来，储能市场上锂电占有着绝对的优势，但近几年随着能源结构转型升级，可再生能源大量投入到大型发电系统中、分布式能源系统逐步普及等给储能技术带来了新的挑战，锂离子电池储能技术表现出难以适应大规模储能的趋势。而液流电池凭借其容量大（可灵活设计）、安全性高、寿命长等突出特点，再次得到了全世界的关注。

3.1 世界各国对大规模储能系统的迫切需求

在可再生能源和发电系统方面，欧美各国已计划在2030年前，将可再生能源消费提高至总电力消费的30%-50%，我国也预计在2020年实现可再生能源消费占到总能源的15%。世界各国对可再生能源的应用必然要求大规模储能技术的迅速发展，在此背景下，液流电池的市场份额将会逐步扩大。MarketsandMarkets机构指出，全球液流电池市场规模到2023年将增至9.46亿美元。

从市场区域来看，亚太地区具有很大潜力。微电网项目在日本和印度的快速增长促进了液流电池占领市场份额的速度。另一方面，近十多年来欧美各国和日本也陆续将先前与风能/光伏发电相配套的、已经较为成熟的全钒液流电池储能系统用于电站调峰、平衡负载等方面，可见液流电池在发达国家大规模电力系统的应用将越来越普遍。

3.2 分布式储能和智能电网的发展

①智能电网，未来的储能方式，是与智能电网、可再生能源和“互联网+”紧密相结合的智慧储能方式，也必然是走向规模大型化，高容量的趋势。在智能电网应用方面，2018年我国已开展国家重点研发计划--智能电网专项“10MW级液流电池储能技术”;同年，国家能源局发布的《2018年能源工作指导意见》中明确指出--年内计划建成大连100MW/400MWh液流电池储能调峰电站。在电网智能化大型化的背景下，液流电池的市场化进程将逐步加快;

②分布式储能，随着智能电网、分布式发电等技术的发展，分布式储能技术也正大力发展起来。分布式储能系统通常应用于微电网和配电网等发电系统，基本都建立在大规模且稳定的储能需求上，而液流电池功率大、寿命长等特点在分布式储能系统应用上具有较大优势。近几年，欧美各国也纷纷出台了关于分布式储能补贴和激励政策，也进一步促进了液流电池的市场发展。

4 前景展望

近几年来，在以美国、日本、中国为首等各国政府的大力支持及社会各界研究团队技术创新等激励下，储能技术在全球范围内正快速实现大规模产业化。在目前能源转型升级的关键时期，大规模可再生能源正逐渐成为主导能源。各国储能政策走向及储能技术发展的趋势，都给液流电池的商业化应用带来极大的机遇。

如今，电池储能技术的竞争愈发激烈，目前占有绝对领导地位的锂电池储能技术也在不断寻求突破，以适应能源转型的需求。尽管锂电池在储能领域仍有较大优势，但大规模储能时代的到来也给其带来了挑战;另一方面，这也给液流电池带来巨大的发展机遇。经过近十几年的发展，全钒液流电池目前正在各国进行百兆瓦级的示范，其技术可行性，商业应用性已经得到认可。在未来的发展道路上，全钒液流电池随着材料改性突破、生产设计上进步，国内外产业链逐步完善，其度电成本有望大幅度下降。同时，高能量密度的锌碘、锌溴、有机体系等新型液流电池也不断深入发展，在成本低廉的基础上进一步实现技术突破，进而适用于商业化普及。此外，国家政策也不断加大支持力度，采取多种激励措施来刺激市场和研发，这为液流电池的发展应用提供了良好的社会环境。在此背景下，结合液流电池的研究进展和市场需求，液流电池在储能领域大规模普及应用具有很大的潜力和出色的前景。

参考文献：

[1]邓一凡.液流电池储能系统应用与展望[J].船电技术，2017， 037（012）：33-38.

[2]严晓辉，徐玉杰，et al.我國大规模储能技术发展预测及分析[J].中国电力，2013.

[3]霍婧，崔志广.加快全钒液流电池在大容量储能领域的商业化应用[J].工业技术创新，2019.

[4]缪平，姚祯，LEMMON等.电池储能技术研究进展及展望[J].储能科学与技术，2020（3）：670-678.

[5]谢聪鑫，郑琼，李先锋等.液流电池技术的最新进展[J].储能科学与技术，2017，006（005）：1050-1057.

[6]Yang B，Murali A，Nirmalchandar A，et al. A Durable，Inexpensive and Scalable Redox Flow Battery Based on Iron Sulfate and Anthraquinone Disulfonic Acid[J].2020.

作者简介：

吴昊峻（1998- ），男，汉族，籍贯：广东省茂名市，最高学历：本科在读，研究方向：电池/电容器电极材料。