液流電池的發(fā)展現(xiàn)狀及市場(chǎng)前景分析

摘 要：在當(dāng)今能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，大規(guī)模高容量的儲(chǔ)能技術(shù)越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。液流電池因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特殊性、安全環(huán)保、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用上具有可觀的前景，但成本高和技術(shù)不成熟等問(wèn)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(fā)展現(xiàn)狀;同時(shí)從各國(guó)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的需求以及智能電網(wǎng)和分布式儲(chǔ)能兩大方向分析了液流電池的市場(chǎng)需求，并結(jié)合研究進(jìn)展和市場(chǎng)需求對(duì)液流電池進(jìn)行了前景分析。

關(guān)鍵詞：全釩液流電池;新型液流電池;大規(guī)模儲(chǔ)能;市場(chǎng)需求;商業(yè)化應(yīng)用;前景

0 引言

自19世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，化石燃料一直被大規(guī)模開(kāi)采利用到各個(gè)方面，如今由化石燃料燃燒所造成的環(huán)境危害已愈發(fā)嚴(yán)重。因此，能源轉(zhuǎn)型已成為21世紀(jì)的主流趨勢(shì)，各國(guó)都在開(kāi)發(fā)利用各種可再生綠色能源，而儲(chǔ)能系統(tǒng)則扮演了這次能源轉(zhuǎn)型中最重要的角色[1]。據(jù)預(yù)測(cè)，2020年儲(chǔ)能技術(shù)的全球市場(chǎng)份額將達(dá)到近六千億美元[2]。隨著儲(chǔ)能技術(shù)不斷發(fā)展和完善，各國(guó)對(duì)大容量和綜合性能優(yōu)越的儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)和需求也更顯著。憑借著安全性高、容量大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，液流電池在全球儲(chǔ)能市場(chǎng)上越發(fā)受到重視，在當(dāng)今研發(fā)大容量高效能儲(chǔ)能技術(shù)的趨勢(shì)中很有前景[3]。

1 液流電池原理

液流電池由一個(gè)電池堆和兩個(gè)儲(chǔ)液罐組成。電池堆部分包括兩個(gè)惰性電極和離子交換膜，電解液分別放置在外部?jī)蓚€(gè)不同的存儲(chǔ)罐中。電池工作時(shí)，循環(huán)泵會(huì)將電解液送入反應(yīng)室中循環(huán)流動(dòng)而發(fā)生反應(yīng)，其中離子交換膜阻止活性物質(zhì)的滲透，允許電解質(zhì)溶劑的交換。

與傳統(tǒng)二次電池相比，液流電池的特點(diǎn)在于正負(fù)極活性物質(zhì)以液體的形式分別存放在兩個(gè)電解液罐中，其容量取決于電解液的儲(chǔ)量和濃度，輸出功率取決于電池堆的大小。功率和容量?jī)烧呋ゲ桓缮妫梢愿鶕?jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整，這使得液流電池具有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景[1]。

2 液流電池研究現(xiàn)狀

2.1 全釩液流電池（VRB）

全釩液流電池的兩個(gè)儲(chǔ)液罐中溶有不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸溶液，電池工作時(shí)，通過(guò)釩元素不同價(jià)態(tài)的變化來(lái)完成電能→化學(xué)能的轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存，反應(yīng)機(jī)理如下：

全釩液流電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)（>200000次）、響應(yīng)速度快（亞秒級(jí)）、安全環(huán)保，易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化（MW級(jí)）等特點(diǎn)[1，4]，而且其正負(fù)極材料只有釩一種元素，避免了正負(fù)極交叉感染的問(wèn)題，目前主要應(yīng)用于分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電等大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.1.1 電堆

對(duì)全釩液流電池來(lái)說(shuō)，構(gòu)成電堆的電極、離子傳導(dǎo)膜、雙極板以及釩電解液是電池的關(guān)鍵材料，是技術(shù)突破和降低成本重點(diǎn)。在我國(guó)，處于國(guó)際領(lǐng)先地位的大連融科儲(chǔ)能實(shí)際儲(chǔ)能工程應(yīng)用項(xiàng)目中，電堆的工作電流密度在2017年已經(jīng)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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所團(tuán)隊(duì)研究報(bào)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(shí)現(xiàn)了電池材料和電堆結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新;同時(shí)，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(dá)到200mA/cm2以上，這使得全釩液流電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)成本下降到1800元/kW·h@1MW/5MW以下[5]。

在全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性方面，大連融科儲(chǔ)能建造的5MW/10MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能電站近7年來(lái)都能保持穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)日本住友電功建造的15MW/60MW·h全釩液流電儲(chǔ)能電站也得到了世界的認(rèn)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(guān)。我國(guó)大連博融新材料有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量能夠和美國(guó)Straco、德國(guó)GFE公司相媲美，得到了世界的認(rèn)可。同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)不同價(jià)態(tài)釩離子在溶解度和穩(wěn)定性上差異大的不足，提出了釩離子絡(luò)合效應(yīng)和溶液自由能調(diào)控的思想，對(duì)晶核的形成有明顯的抑制作用，并提高了電解液的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出了高穩(wěn)定性和高濃度窗口的電解液，并掌握了制備技術(shù)，成功建設(shè)了年產(chǎn)300MW·h的自主電解液生產(chǎn)線，現(xiàn)已經(jīng)規(guī)模生產(chǎn)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(wèn)題，大大限制了其一直以來(lái)的普及應(yīng)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(lái)的研究熱點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上也開(kāi)發(fā)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(dòng)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(fù)極的沉積面積，且電池充電可接近于100%荷電狀態(tài)（I-充電至完全轉(zhuǎn)變?yōu)镮2）的方式，設(shè)計(jì)出一種高能量密度（理論能量密度240Wh/L）、長(zhǎng)循環(huán)壽命和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的鋅--碘液流電池;

③近年來(lái)，另一種利用碳、氧、硫、氮等元素組成有機(jī)物的蒽醌類液流電池也逐漸成為研究重點(diǎn)。最初由Aziz等首次提出堿性醌類液流電池，由于其成本廉價(jià)性被人們廣泛關(guān)注[4]，Yang等報(bào)道的基于硫酸鐵（來(lái)自鋼鐵工業(yè)廢品）和蒽醌二磺酸的新型液流電池表現(xiàn)出了優(yōu)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(yōu)勢(shì)為大規(guī)模可持續(xù)能源儲(chǔ)存系統(tǒng)的研發(fā)和商業(yè)化提供了新的思路和良好的前景。

3 市場(chǎng)需求

目前，在能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程中，化石能源的市場(chǎng)將逐步縮小，而可再生能源的應(yīng)用是必然的趨勢(shì)。當(dāng)下能較好實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的可再生能源主要為太陽(yáng)能和風(fēng)能，但兩者受自然氣候條件的影響均較大，往往會(huì)造成能源過(guò)剩或用時(shí)不足的情況，能源供給不穩(wěn)定。因此，為解決可再生能源供需不平衡的情況，大規(guī)模高容量?jī)?chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將十分迫切，市場(chǎng)需求也會(huì)逐步擴(kuò)大。

一直以來(lái)，儲(chǔ)能市場(chǎng)上鋰電占有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但近幾年隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，可再生能源大量投入到大型發(fā)電系統(tǒng)中、分布式能源系統(tǒng)逐步普及等給儲(chǔ)能技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)表現(xiàn)出難以適應(yīng)大規(guī)模儲(chǔ)能的趨勢(shì)。而液流電池憑借其容量大（可靈活設(shè)計(jì)）、安全性高、壽命長(zhǎng)等突出特點(diǎn)，再次得到了全世界的關(guān)注。

3.1 世界各國(guó)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的迫切需求

在可再生能源和發(fā)電系統(tǒng)方面，歐美各國(guó)已計(jì)劃在2030年前，將可再生能源消費(fèi)提高至總電力消費(fèi)的30%-50%，我國(guó)也預(yù)計(jì)在2020年實(shí)現(xiàn)可再生能源消費(fèi)占到總能源的15%。世界各國(guó)對(duì)可再生能源的應(yīng)用必然要求大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的迅速發(fā)展，在此背景下，液流電池的市場(chǎng)份額將會(huì)逐步擴(kuò)大。MarketsandMarkets機(jī)構(gòu)指出，全球液流電池市場(chǎng)規(guī)模到2023年將增至9.46億美元。

從市場(chǎng)區(qū)域來(lái)看，亞太地區(qū)具有很大潛力。微電網(wǎng)項(xiàng)目在日本和印度的快速增長(zhǎng)促進(jìn)了液流電池占領(lǐng)市場(chǎng)份額的速度。另一方面，近十多年來(lái)歐美各國(guó)和日本也陸續(xù)將先前與風(fēng)能/光伏發(fā)電相配套的、已經(jīng)較為成熟的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰、平衡負(fù)載等方面，可見(jiàn)液流電池在發(fā)達(dá)國(guó)家大規(guī)模電力系統(tǒng)的應(yīng)用將越來(lái)越普遍。

3.2 分布式儲(chǔ)能和智能電網(wǎng)的發(fā)展

①智能電網(wǎng)，未來(lái)的儲(chǔ)能方式，是與智能電網(wǎng)、可再生能源和“互聯(lián)網(wǎng)+”緊密相結(jié)合的智慧儲(chǔ)能方式，也必然是走向規(guī)模大型化，高容量的趨勢(shì)。在智能電網(wǎng)應(yīng)用方面，2018年我國(guó)已開(kāi)展國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃--智能電網(wǎng)專項(xiàng)“10MW級(jí)液流電池儲(chǔ)能技術(shù)”;同年，國(guó)家能源局發(fā)布的《2018年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》中明確指出--年內(nèi)計(jì)劃建成大連100MW/400MWh液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站。在電網(wǎng)智能化大型化的背景下，液流電池的市場(chǎng)化進(jìn)程將逐步加快;

②分布式儲(chǔ)能，隨著智能電網(wǎng)、分布式發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展，分布式儲(chǔ)能技術(shù)也正大力發(fā)展起來(lái)。分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)通常應(yīng)用于微電網(wǎng)和配電網(wǎng)等發(fā)電系統(tǒng)，基本都建立在大規(guī)模且穩(wěn)定的儲(chǔ)能需求上，而液流電池功率大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)在分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用上具有較大優(yōu)勢(shì)。近幾年，歐美各國(guó)也紛紛出臺(tái)了關(guān)于分布式儲(chǔ)能補(bǔ)貼和激勵(lì)政策，也進(jìn)一步促進(jìn)了液流電池的市場(chǎng)發(fā)展。

4 前景展望

近幾年來(lái)，在以美國(guó)、日本、中國(guó)為首等各國(guó)政府的大力支持及社會(huì)各界研究團(tuán)隊(duì)技術(shù)創(chuàng)新等激勵(lì)下，儲(chǔ)能技術(shù)在全球范圍內(nèi)正快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。在目前能源轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，大規(guī)模可再生能源正逐漸成為主導(dǎo)能源。各國(guó)儲(chǔ)能政策走向及儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，都給液流電池的商業(yè)化應(yīng)用帶來(lái)極大的機(jī)遇。

如今，電池儲(chǔ)能技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，目前占有絕對(duì)領(lǐng)導(dǎo)地位的鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)也在不斷尋求突破，以適應(yīng)能源轉(zhuǎn)型的需求。盡管鋰電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域仍有較大優(yōu)勢(shì)，但大規(guī)模儲(chǔ)能時(shí)代的到來(lái)也給其帶來(lái)了挑戰(zhàn);另一方面，這也給液流電池帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇。經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展，全釩液流電池目前正在各國(guó)進(jìn)行百兆瓦級(jí)的示范，其技術(shù)可行性，商業(yè)應(yīng)用性已經(jīng)得到認(rèn)可。在未來(lái)的發(fā)展道路上，全釩液流電池隨著材料改性突破、生產(chǎn)設(shè)計(jì)上進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，其度電成本有望大幅度下降。同時(shí)，高能量密度的鋅碘、鋅溴、有機(jī)體系等新型液流電池也不斷深入發(fā)展，在成本低廉的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，進(jìn)而適用于商業(yè)化普及。此外，國(guó)家政策也不斷加大支持力度，采取多種激勵(lì)措施來(lái)刺激市場(chǎng)和研發(fā)，這為液流電池的發(fā)展應(yīng)用提供了良好的社會(huì)環(huán)境。在此背景下，結(jié)合液流電池的研究進(jìn)展和市場(chǎng)需求，液流電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域大規(guī)模普及應(yīng)用具有很大的潛力和出色的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧一凡.液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用與展望[J].船電技術(shù)，2017， 037（012）：33-38.

[2]嚴(yán)曉輝，徐玉杰，et al.我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)及分析[J].中國(guó)電力，2013.

[3]霍婧，崔志廣.加快全釩液流電池在大容量?jī)?chǔ)能領(lǐng)域的商業(yè)化應(yīng)用[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2019.

[4]繆平，姚禎，LEMMON等.電池儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展及展望[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2020（3）：670-678.

[5]謝聰鑫，鄭瓊，李先鋒等.液流電池技術(shù)的最新進(jìn)展[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，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(jiǎn)介：

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