液流電池的發展現狀及市場前景分析

摘 要：在當今能源結構轉型升級過程中，大規模高容量的儲能技術越來越受到世界各國的重視。液流電池因為其結構特殊性、安全環保、長壽命等特點，在大規模儲能技術的應用上具有可觀的前景，但成本高和技術不成熟等問題一直制約著液流電池的普及推廣。本文從全釩液流電池和新型液流電池的角度分析了液流電池的發展現狀;同時從各國對大規模儲能技術的需求以及智能電網和分布式儲能兩大方向分析了液流電池的市場需求，并結合研究進展和市場需求對液流電池進行了前景分析。

關鍵詞：全釩液流電池;新型液流電池;大規模儲能;市場需求;商業化應用;前景

0 引言

自19世紀工業革命以來，化石燃料一直被大規模開采利用到各個方面，如今由化石燃料燃燒所造成的環境危害已愈發嚴重。因此，能源轉型已成為21世紀的主流趨勢，各國都在開發利用各種可再生綠色能源，而儲能系統則扮演了這次能源轉型中最重要的角色[1]。據預測，2020年儲能技術的全球市場份額將達到近六千億美元[2]。隨著儲能技術不斷發展和完善，各國對大容量和綜合性能優越的儲能技術的研發和需求也更顯著。憑借著安全性高、容量大、壽命長等特點，液流電池在全球儲能市場上越發受到重視，在當今研發大容量高效能儲能技術的趨勢中很有前景[3]。

1 液流電池原理

液流電池由一個電池堆和兩個儲液罐組成。電池堆部分包括兩個惰性電極和離子交換膜，電解液分別放置在外部兩個不同的存儲罐中。電池工作時，循環泵會將電解液送入反應室中循環流動而發生反應，其中離子交換膜阻止活性物質的滲透，允許電解質溶劑的交換。

與傳統二次電池相比，液流電池的特點在于正負極活性物質以液體的形式分別存放在兩個電解液罐中，其容量取決于電解液的儲量和濃度，輸出功率取決于電池堆的大小。功率和容量兩者互不干涉，可以根據實際需求靈活調整，這使得液流電池具有豐富的應用場景[1]。

2 液流電池研究現狀

2.1 全釩液流電池（VRB）

全釩液流電池的兩個儲液罐中溶有不同價態釩離子的硫酸溶液，電池工作時，通過釩元素不同價態的變化來完成電能→化學能的轉變，從而實現電能的儲存，反應機理如下：

全釩液流電池具有循環壽命長（>200000次）、響應速度快（亞秒級）、安全環保，易實現規模化（MW級）等特點[1，4]，而且其正負極材料只有釩一種元素，避免了正負極交叉感染的問題，目前主要應用于分布式發電、可再生能源發電等大規模儲能系統。

2.1.1 電堆

對全釩液流電池來說，構成電堆的電極、離子傳導膜、雙極板以及釩電解液是電池的關鍵材料，是技術突破和降低成本重點。在我國，處于國際領先地位的大連融科儲能實際儲能工程應用項目中，電堆的工作電流密度在2017年已經提高至120-160mA/cm2，不僅提高了電堆的功率密度，也大大降低了成本。我國科學院大連化學物理研究所團隊研究報道了300cm2的單電池在保持電池充放電能量效率大于80%的前提下，電池的工作電流密度提高到了300 mA/cm2，實現了電池材料和電堆結構的創新;同時，千瓦電堆在保持電堆充放電能量效率大于80%的前提下，電堆的工作電流密度可以達到200mA/cm2以上，這使得全釩液流電池的儲能系統成本下降到1800元/kW·h@1MW/5MW以下[5]。

在全釩液流電池儲能系統的可靠性方面，大連融科儲能建造的5MW/10MW·h全釩液流電池儲能電站近7年來都能保持穩定運行，同時日本住友電功建造的15MW/60MW·h全釩液流電儲能電站也得到了世界的認可。

2.1.2 電解液

釩電解液決定了電池的容量，與電池的總體性能和成本密切相關。我國大連博融新材料有限公司自主研發生產了以高純釩氧化物為原料的硫酸體系電解液和混合酸體系電解液，產品質量能夠和美國Straco、德國GFE公司相媲美，得到了世界的認可。同時，中國科學院大連化學物理研究所的研究團隊根據不同價態釩離子在溶解度和穩定性上差異大的不足，提出了釩離子絡合效應和溶液自由能調控的思想，對晶核的形成有明顯的抑制作用，并提高了電解液的穩定性。在此基礎上，該研究團隊成功研發出了高穩定性和高濃度窗口的電解液，并掌握了制備技術，成功建設了年產300MW·h的自主電解液生產線，現已經規模生產和批量出口。

2.2 新型液流電池

釩液流電池由于釩元素本身成本高的問題，大大限制了其一直以來的普及應用能力，因此，為降低成本，探究除釩以外含量豐富的元素（如鐵、鋅、錳等）以作為液流電池電解液活性成分的工作也是一直以來的研究熱點，在此基礎上也開發出了眾多新型液流電池。

①在全鐵液流電池研究方面，Savinell等利用在流動的碳顆粒上可逆電鍍鐵金屬的方法，提高了全鐵液流電池的性能;

②在鋅--碘單液流電池方面，Xie等利用高濃度電解液滿足鋅在負極的沉積面積，且電池充電可接近于100%荷電狀態（I-充電至完全轉變為I2）的方式，設計出一種高能量密度（理論能量密度240Wh/L）、長循環壽命和結構簡單的鋅--碘液流電池;

③近年來，另一種利用碳、氧、硫、氮等元素組成有機物的蒽醌類液流電池也逐漸成為研究重點。最初由Aziz等首次提出堿性醌類液流電池，由于其成本廉價性被人們廣泛關注[4]，Yang等報道的基于硫酸鐵（來自鋼鐵工業廢品）和蒽醌二磺酸的新型液流電池表現出了優越的電氣性能、容量保持性和耐用性[6]。

盡管相較于釩液流電池，上述新型液流電池的性能還有待提高，但其成本方面的突出優勢為大規?？沙掷m能源儲存系統的研發和商業化提供了新的思路和良好的前景。

3 市場需求

目前，在能源轉型升級的過程中，化石能源的市場將逐步縮小，而可再生能源的應用是必然的趨勢。當下能較好實現商業化應用的可再生能源主要為太陽能和風能，但兩者受自然氣候條件的影響均較大，往往會造成能源過?；蛴脮r不足的情況，能源供給不穩定。因此，為解決可再生能源供需不平衡的情況，大規模高容量儲能技術的應用將十分迫切，市場需求也會逐步擴大。

一直以來，儲能市場上鋰電占有著絕對的優勢，但近幾年隨著能源結構轉型升級，可再生能源大量投入到大型發電系統中、分布式能源系統逐步普及等給儲能技術帶來了新的挑戰，鋰離子電池儲能技術表現出難以適應大規模儲能的趨勢。而液流電池憑借其容量大（可靈活設計）、安全性高、壽命長等突出特點，再次得到了全世界的關注。

3.1 世界各國對大規模儲能系統的迫切需求

在可再生能源和發電系統方面，歐美各國已計劃在2030年前，將可再生能源消費提高至總電力消費的30%-50%，我國也預計在2020年實現可再生能源消費占到總能源的15%。世界各國對可再生能源的應用必然要求大規模儲能技術的迅速發展，在此背景下，液流電池的市場份額將會逐步擴大。MarketsandMarkets機構指出，全球液流電池市場規模到2023年將增至9.46億美元。

從市場區域來看，亞太地區具有很大潛力。微電網項目在日本和印度的快速增長促進了液流電池占領市場份額的速度。另一方面，近十多年來歐美各國和日本也陸續將先前與風能/光伏發電相配套的、已經較為成熟的全釩液流電池儲能系統用于電站調峰、平衡負載等方面，可見液流電池在發達國家大規模電力系統的應用將越來越普遍。

3.2 分布式儲能和智能電網的發展

①智能電網，未來的儲能方式，是與智能電網、可再生能源和“互聯網+”緊密相結合的智慧儲能方式，也必然是走向規模大型化，高容量的趨勢。在智能電網應用方面，2018年我國已開展國家重點研發計劃--智能電網專項“10MW級液流電池儲能技術”;同年，國家能源局發布的《2018年能源工作指導意見》中明確指出--年內計劃建成大連100MW/400MWh液流電池儲能調峰電站。在電網智能化大型化的背景下，液流電池的市場化進程將逐步加快;

②分布式儲能，隨著智能電網、分布式發電等技術的發展，分布式儲能技術也正大力發展起來。分布式儲能系統通常應用于微電網和配電網等發電系統，基本都建立在大規模且穩定的儲能需求上，而液流電池功率大、壽命長等特點在分布式儲能系統應用上具有較大優勢。近幾年，歐美各國也紛紛出臺了關于分布式儲能補貼和激勵政策，也進一步促進了液流電池的市場發展。

4 前景展望

近幾年來，在以美國、日本、中國為首等各國政府的大力支持及社會各界研究團隊技術創新等激勵下，儲能技術在全球范圍內正快速實現大規模產業化。在目前能源轉型升級的關鍵時期，大規模可再生能源正逐漸成為主導能源。各國儲能政策走向及儲能技術發展的趨勢，都給液流電池的商業化應用帶來極大的機遇。

如今，電池儲能技術的競爭愈發激烈，目前占有絕對領導地位的鋰電池儲能技術也在不斷尋求突破，以適應能源轉型的需求。盡管鋰電池在儲能領域仍有較大優勢，但大規模儲能時代的到來也給其帶來了挑戰;另一方面，這也給液流電池帶來巨大的發展機遇。經過近十幾年的發展，全釩液流電池目前正在各國進行百兆瓦級的示范，其技術可行性，商業應用性已經得到認可。在未來的發展道路上，全釩液流電池隨著材料改性突破、生產設計上進步，國內外產業鏈逐步完善，其度電成本有望大幅度下降。同時，高能量密度的鋅碘、鋅溴、有機體系等新型液流電池也不斷深入發展，在成本低廉的基礎上進一步實現技術突破，進而適用于商業化普及。此外，國家政策也不斷加大支持力度，采取多種激勵措施來刺激市場和研發，這為液流電池的發展應用提供了良好的社會環境。在此背景下，結合液流電池的研究進展和市場需求，液流電池在儲能領域大規模普及應用具有很大的潛力和出色的前景。

參考文獻：

[1]鄧一凡.液流電池儲能系統應用與展望[J].船電技術，2017， 037（012）：33-38.

[2]嚴曉輝，徐玉杰，et al.我國大規模儲能技術發展預測及分析[J].中國電力，2013.

[3]霍婧，崔志廣.加快全釩液流電池在大容量儲能領域的商業化應用[J].工業技術創新，2019.

[4]繆平，姚禎，LEMMON等.電池儲能技術研究進展及展望[J].儲能科學與技術，2020（3）：670-678.

[5]謝聰鑫，鄭瓊，李先鋒等.液流電池技術的最新進展[J].儲能科學與技術，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.

作者簡介：

吳昊峻（1998- ），男，漢族，籍貫：廣東省茂名市，最高學歷：本科在讀，研究方向：電池/電容器電極材料。