液流電池的發(fā)展現(xiàn)狀及市場前景分析

摘 要：在當(dāng)今能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級過程中，大規(guī)模高容量的儲能技術(shù)越來越受到世界各國的重視。液流電池因為其結(jié)構(gòu)特殊性、安全環(huán)保、長壽命等特點，在大規(guī)模儲能技術(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;同時從各國對大規(guī)模儲能技術(shù)的需求以及智能電網(wǎng)和分布式儲能兩大方向分析了液流電池的市場需求，并結(jié)合研究進展和市場需求對液流電池進行了前景分析。

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

0 引言

自19世紀工業(yè)革命以來，化石燃料一直被大規(guī)模開采利用到各個方面，如今由化石燃料燃燒所造成的環(huán)境危害已愈發(fā)嚴重。因此，能源轉(zhuǎn)型已成為21世紀的主流趨勢，各國都在開發(fā)利用各種可再生綠色能源，而儲能系統(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，2020年儲能技術(shù)的全球市場份額將達到近六千億美元[2]。隨著儲能技術(shù)不斷發(fā)展和完善，各國對大容量和綜合性能優(yōu)越的儲能技術(shù)的研發(fā)和需求也更顯著。憑借著安全性高、容量大、壽命長等特點，液流電池在全球儲能市場上越發(fā)受到重視，在當(dāng)今研發(fā)大容量高效能儲能技術(shù)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(huán)泵會將電解液送入反應(yīng)室中循環(huán)流動而發(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，液流電池的特點在于正負極活性物質(zhì)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(jù)實際需求靈活調(diào)整，這使得液流電池具有豐富的應(yīng)用場景[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儲液罐中溶有不同價態(tài)釩離子的硫酸溶液，電池工作時，通過釩元素不同價態(tài)的變化來完成電能→化學(xué)能的轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)電能的儲存，反應(yīng)機理如下：

全釩液流電池具有循環(huán)壽命長（>200000次）、響應(yīng)速度快（亞秒級）、安全環(huán)保，易實現(xiàn)規(guī)?；∕W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(yīng)用于分布式發(fā)電、可再生能源發(fā)電等大規(guī)模儲能系統(tǒng)。

2.1.1 電堆

對全釩液流電池來說，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。在我國，處于國際領(lǐng)先地位的大連融科儲能實際儲能工程應(yīng)用項目中，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。我國科學(xué)院大連化學(xué)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(xiàn)了電池材料和電堆結(jié)構(gòu)的創(chuàng)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(tǒng)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(tǒng)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(wěn)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(guān)。我國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Straco、德國GFE公司相媲美，得到了世界的認可。同時，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的研究團隊根據(jù)不同價態(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，該研究團隊成功研發(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題，大大限制了其一直以來的普及應(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的研究熱點，在此基礎(chǔ)上也開發(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(tài)（I-充電至完全轉(zhuǎn)變?yōu)镮2）的方式，設(shè)計出一種高能量密度（理論能量密度240Wh/L）、長循環(huán)壽命和結(jié)構(gòu)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(guān)注[4]，Yang等報道的基于硫酸鐵（來自鋼鐵工業(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)勢為大規(guī)?？沙掷m(xù)能源儲存系統(tǒng)的研發(fā)和商業(yè)化提供了新的思路和良好的前景。

3 市場需求

目前，在能源轉(zhuǎn)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(yīng)用是必然的趨勢。當(dāng)下能較好實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的可再生能源主要為太陽能和風(fēng)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(wěn)定。因此，為解決可再生能源供需不平衡的情況，大規(guī)模高容量儲能技術(shù)的應(yīng)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(yōu)勢，但近幾年隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，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)逐步普及等給儲能技術(shù)帶來了新的挑戰(zhàn)，鋰離子電池儲能技術(shù)表現(xiàn)出難以適應(yīng)大規(guī)模儲能的趨勢。而液流電池憑借其容量大（可靈活設(shè)計）、安全性高、壽命長等突出特點，再次得到了全世界的關(guān)注。

3.1 世界各國對大規(guī)模儲能系統(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(yù)計在2020年實現(xiàn)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(yīng)用必然要求大規(guī)模儲能技術(shù)的迅速發(fā)展，在此背景下，液流電池的市場份額將會逐步擴大。MarketsandMarkets機構(gòu)指出，全球液流電池市場規(guī)模到2023年將增至9.46億美元。

從市場區(qū)域來看，亞太地區(qū)具有很大潛力。微電網(wǎng)項目在日本和印度的快速增長促進了液流電池占領(lǐng)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(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能系統(tǒng)用于電站調(diào)峰、平衡負載等方面，可見液流電池在發(fā)達國家大規(guī)模電力系統(tǒng)的應(yīng)用將越來越普遍。

3.2 分布式儲能和智能電網(wǎng)的發(fā)展

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

②分布式儲能，隨著智能電網(wǎng)、分布式發(fā)電等技術(shù)的發(fā)展，分布式儲能技術(shù)也正大力發(fā)展起來。分布式儲能系統(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(tǒng)應(yīng)用上具有較大優(yōu)勢。近幾年，歐美各國也紛紛出臺了關(guān)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(fā)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(shù)創(chuàng)新等激勵下，儲能技術(shù)在全球范圍內(nèi)正快速實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。在目前能源轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，大規(guī)?？稍偕茉凑饾u成為主導(dǎo)能源。各國儲能政策走向及儲能技術(shù)發(fā)展的趨勢，都給液流電池的商業(yè)化應(yīng)用帶來極大的機遇。

如今，電池儲能技術(shù)的競爭愈發(fā)激烈，目前占有絕對領(lǐng)導(dǎo)地位的鋰電池儲能技術(shù)也在不斷尋求突破，以適應(yīng)能源轉(zhuǎn)型的需求。盡管鋰電池在儲能領(lǐng)域仍有較大優(yōu)勢，但大規(guī)模儲能時代的到來也給其帶來了挑戰(zhàn);另一方面，這也給液流電池帶來巨大的發(fā)展機遇。經(jīng)過近十幾年的發(fā)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(shù)可行性，商業(yè)應(yīng)用性已經(jīng)得到認可。在未來的發(fā)展道路上，全釩液流電池隨著材料改性突破、生產(chǎn)設(shè)計上進步，國內(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，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(fā)展，在成本低廉的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)技術(shù)突破，進而適用于商業(yè)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(fā)，這為液流電池的發(fā)展應(yīng)用提供了良好的社會環(huán)境。在此背景下，結(jié)合液流電池的研究進展和市場需求，液流電池在儲能領(lǐng)域大規(guī)模普及應(yīng)用具有很大的潛力和出色的前景。

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作者簡介：

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。