液流電池發展綜述及未來市場展望

液流電池發展綜述

一

1. 發展背景

随着社會和經濟的發展，對能源需求日益增加，化石能源的大量消耗所造成的環境壓力日益突出。因此，各國家需要實現節能減排以及大規模利用可再生能源。根據《儲能與液流電池技術》，到2030年，日本、美國、德國規劃本國可再生能源消費将分别占到其總電力消費的34%、40%、50%。而我國的規劃是到2020年，可再生能源在全部能源消費中将達到15%。由此可見，在電力消費方面，可再生能源逐漸從輔助角色轉變為主導角色。

但風能、太陽能等可再生能源發電受時間、晝夜、季節等因素影響，具有明顯的不連續、不穩定及不可控的非穩态特性。因此，大規模高效儲能的技術是解決可再生能源發電不穩定的重要途徑。液流電池由于具有安全性高、儲能規模大、效率高、壽命長等特點，在大規模儲能領域具有很好的應用前景。

因此，本文通過對液流電池的發展曆程、特點與全球代表企業及其明星産品進行梳理，希望能讓有興趣的企業可以從本文這一斑窺出液流電池行業的全貌。

2. 定義

液流電池是由美國科學家Thaller（NASA Lewis Research Center）于1974年提出，是一種活性物質存在于液态電解質中的二次電池技術。電解液置于電池堆外部，在循環泵的推動下流經電堆，并通過發生電化學反應，實現化學能與電能的轉換，從而實現電能的存儲與釋放。具體示意圖如下。

圖1 液流電池流程示意圖

根據活性物質的不同，液流電池可分為全釩液流電池、鋅溴液流電池、多硫化鈉/溴液流電池、鐵/鉻液流電池等。

從目前技術成熟度和工程應用效果看，全釩液流電池技術進入工程應用、市場開拓階段，開始實現商業化；鋅溴液流電池技術進入應用示範、市場開拓階段；其他液流電池的應用案例較少，或仍處于研究階段。全釩液流電池與鋅溴液流電池的特色是正負極電解液不存在交叉污染的問題，這是兩種電池脫穎而出的主要原因。因此，在第二、三部分，我們主要分析全釩液流電池與鋅溴液流電池的特點與市場前景。

3. 政策分析

目前液流電池在儲能市場中的占比不大，全球範圍内，與液流電池直接相關的促進政策并不多。由于中國的釩資源儲量豐富，中國目前以全釩液流電池為主。而全球最早的全釩液流電池的行業标準（《全釩液流電池通用技術條件：NB/T 42040-2014》）便是由中國于2014年發布的。而在2016-2018年，與全釩液流電池相關的國家标準也由我國陸續發布，涉及通用技術條件、系統測試方法、安全要求、用電解液等方面。可見，全釩液流電池是中國在儲能領域中發展的重點之一。

而其他的液流電池，如鋅溴液流電池，也在2017、2018年陸續發布其行業标準，如《鋅溴液流電池通用技術條件：NB/T 42135-2017》和《鋅溴液流電池 電極、隔膜、電解液測試方法：NB/T 42146-2018》等。可見，中國在近幾年大力鼓勵并促進液流電池的發展，液流電池的市場前景較為樂觀。

在國際方面，2014年4月，國際電工委員會（IEC）決定由張華民教授作為負責人，代表中國牽頭制定《IEC 62932-2-1 Flow Battery Systems for Stationary Applications - Part 2-1: Performance General Requirements & Methods of Test》（《固定式領域用液流電池 第2-1部分：性能一般要求及試驗方法》）。該國際标準是國際第一個囊括液流電池技術和質量指标的标準。

液流電池原理及特點

二

1. 全釩液流電池

原理

根據《全釩液流電池技術最新研究進展》所述，全釩液流電池中，釩電解液是電能存儲介質，存儲在電池外部儲罐中。釩電解質溶液通過循環系統進入電堆，在電極表面發生氧化還原反應。放電時，電池正負極電勢差降低，化學能轉化為電能；充電時，電池正負極電勢差升高，電能轉化為化學能，從而實現了電能的存儲與釋放。

特點

對比锂電池，全釩液流電池具有以下優勢：

• 安全性高：電池的電解液為水溶液，且反應場所和活性物質儲存場所分開，不會出現着火、爆炸等事故，安全性能極高；
• 100%充放電：該類電池放電深度可達100%，且對電池性能不會造成任何傷害，相反會對電池壽命有益。
• 容量和功率可獨立配置：電堆的數量決定着系統的輸出功率，電解液的用量決定了系統的容量，這兩者相互獨立。
• 熱管理簡單：電池運行時，電解液在系統内部循環，帶走内部的熱量，同時溶液有很大的比熱容，電池有很高的熱穩定性。

但根據長江證券的研究報告《釩電池那些事兒》，全釩液流電池在使用過程中具有以下的劣勢：

• 石墨極闆易被正極液刻蝕，如果用戶操作不當，一次充電就能讓石墨闆完全刻蝕，電堆隻能報廢。在正常使用情況下，每隔兩個月就要由專業人士進行一次維護，這種高頻次的維護費錢、費力。
• 釩電池成本過高（具體詳見第三章）且不環保。配制電解液用到的原料、正極沉澱以及洩漏的正極液經風幹後形成的薄層都有五氧化二釩，屬于劇毒化學品。

與其他液流電池相比，除上述幾點，全釩液流電池仍具有能量密度低（即電池續航時間較短）、占地面積大等問題。電池系統需要配置大量的管路、閥件、電解液循環泵、換熱器等輔助部件，使液流電池更為複雜，對電池系統的可靠性提出了更高的要求。

2. 鋅溴液流電池

原理

鋅溴液流電池是一種單沉積型液流電池，負極電對的充放電産物不溶于電解液而沉積在電極上。正負半電池由隔膜分開,兩側電解液均為ZnBr2溶液。電解液在儲液罐和電池構成的閉合回路中循環流動的原動力為動力泵。化學反應的動力是氧化還原反應電極對間的電勢差。充電時鋅沉積在負極上,正極上溴離子失去兩個電子變成單質溴。放電時,與充電過程相反，在負、正極上分别生成鋅離子和溴離子。

特點

除了擁有一般液流電池的共同優勢外，與全釩液流電池相比，鋅溴液流電池具有以下優勢：

• 鋅-溴液流電池具有較高的能量密度，根據《儲能與液流電池技術》，鋅溴液流電池的能量密度可達到70 W·h/kg，且其材料成本較低；
• 所使用的電極及隔膜材料主要成分均為塑料，不含重金屬，價格低廉，可回收利用且對環境友好。

目前，鋅溴液流電池的研發主要面臨以下難點需要突破，如：

• 根據《儲能與液流電池技術》，由于鋅電極在充電過程中易形成樹狀結晶，導緻其儲能容量衰減快、使用壽命短。但在電解液流動狀态下，結晶現象基本解決。
• 溴的腐蝕性與穿透性：鋅溴電池電解液酸度不大，PH在3.5左右，酸腐蝕基本很小，應該多來源于溴的穿透性，因為提高了電池的設計難度。

未來市場展望

三

受限于液流電池中釩、鋅等元素在水中的溶解度，相較于锂電池和全固态電池，液流電池始終存在能量密度較低的劣勢，導緻電池體積相對更大，需要配套複雜的管道系統，因此液流電池适用于固定式的，對空間、承重要求不是很嚴格的應用場合，例如：可再生能源發電的平滑穩定輸出、計劃發電、電信基站儲能、電網削峰填谷等固定儲能應用領域，或是安裝在微型的私人家庭,中小型的商業活動區域，甚至是用于大型企業做儲能設備,以滿足企業所有的能源需求。

液流電池必将成為全球儲能市場的發展方向之一，也是我國電力能源儲蓄的需求所在。為此，下文将對已在市場上應用的全釩液流電池與鋅溴液流電池進行成本與前景的分析，并在海外篩選幾家有代表性的液流電池企業及其值得關注的産品。

1. 全釩液流電池

市場分析

（1）成本構成與預測

根據《全釩液流電池技術最新研究進展》，全釩液流電池的成本主要由釩電解液一次性成本與電堆成本構成，各占總成本的35%。電堆成本主要由離子交換膜價格影響，占電堆成本的55%，但目前大部分供應商用的是杜邦公司的Nafion膜。由于沒有替代産品且關于如何降低離子交換膜成本的研究很少，離子交換膜的價格很高。釩電解液主要取決于釩礦的價格，釩原料的純度對釩電解液和電池的性能影響很大，因此供應商往往采用高純度的釩原料，從而增加了全釩液流電池的成本。

圖2 全釩液流電池（左）與電堆成本（右）的成本結構

高成本是制約全釩液流電池大規模普及應用的瓶頸。實現離子膜國産化；提高電流密度，減少電堆用量；提高釩離子的溶解度，減少電解液用量，均是降低電池成本的重要途徑。

（2）市場前景

目前，行業與學術界均認為釩電池最适合中國發展。主要原因有三點：一，中國釩礦資源儲存量世界第一；二，經過多年研究中國擁有核心技術，且通過跨國整合，全球釩電池核心技術也主要由中國公司掌握；三，釩電池的特點壽命長、可重複放電、可靠性較高，完全滿足中國建設智能電網的需求。

按照《新能源汽車産業發展規劃》和近年來電池行業數據測算，鉛酸電池、電動車用電池、電動汽車用電池三塊合計大約是3000 億元的市場。中研網預測，到2022年中國釩電池市場規模将達到15000億元以上。

代表企業及其明星産品

（1）日本住友電工公司（SEI）

日本住友電工公司早在上世紀90年代開始全釩液流電池技術研發，具有領先的系統集成和工程應用技術，但其關鍵功能性材料和部件依賴外購，成本偏高。

明星産品：以可再生能源為基礎的微型智能電網系統

以直流（DC）方式将太陽能和風能等可再生能源發電設備和蓄電池連接起來的Micro Smart-Grid（微型智能電網）系統，通過智能管理來源于大自然的不穩定能源和電力需求，可穩定且高效地向各種設備和機器（負荷）供電，産生的電力用于區域内的部分照明、家電産品以及超導電動汽車的充電站。

該系統可以實現：調節電網對區域供電量；提高受天氣影響的CPV的供電穩定性，實現太陽能、風能發電的有計劃使用；對于削峰填谷運作以及事先制定用電計劃，随着電力負載的變化對放電量進行調整。

圖3 微型智能電網系統整體構成圖

（2）美國UniEnergy Technologies（UET）

UniEnergy Technologies擁有世界領先的混合酸型全釩液流電池技術，并與融科儲能合作，承擔建造了美國首個兆瓦時級全釩液流電池儲能電站。

明星産品：ReFlex™能量存儲系統

ReFlex™可為商業和工業客戶提供全方位的電力和能源，可提供從kw到MW規模的彈性和模塊化解決方案。ReFlex™支持智能電網和微電網，集成可再生能源，滿足公用事業需求。該産品的主要優勢為：零降解、無限循環、無熱失控、不易燃的電解質、壽命達20年以上、高度可回收等。

圖4 ReFlex™展示圖

2. 鋅溴液流電池

市場分析

（1）成本構成與預測

根據太平洋證券的研究數據，鋅溴液流電池的平均投資成本為307歐元/千瓦時（換算成人民币，約2363元/千瓦時）。與全釩液流電池類似，電池成本主要由電解液、離子交換膜、電控系統影響。根據宏源證券對美國ZBB Energy鋅溴液流電池的成本分析，電解液、離子交換膜、電控系統各占電池總成本的30%（詳見下圖）。鋅溴電池的電解液成分為鋅和溴，其中鋅是一種很常見的金屬，容易大量獲取而且價格較低，而另一種成分溴更是常見，甚至在污水中就能提取。這個先天性的特質決定了鋅溴電池在成本方面具有的優勢。

圖5 美國ZBB Energy鋅溴液流電池成本構成(source:宏源證券)

（2）市場前景

因其低廉的成本卓越的性能特性，鋅溴電池是一個前景廣闊的技術，将來有望在新能源發電、電網削峰填谷、用電大戶錯峰儲電、電動汽車充電等領域得到廣泛應用。但就其現階段的發展狀況來看，仍需要國家政府、研究機構等各方力量的共同參與、努力，方能快速地發展壯大。

國内從事儲能電池特别是鋅溴電池研究的研究機構屈指可數，同時缺乏相關的國家資助科技攻關項目支撐。如果僅僅依靠民營企業的參與，無論從資金規模或技術實力以及政策支持方面，都将使鋅溴液流電池的技術研發和産業發展被迫減緩。

代表企業及其明星産品

（1）美國Primus Power

Primus Power一直從事鋅溴液流電池開發，獲得60項專利保護。并在2019年，在來自90個國家的13000名創新者中，入選全球清潔技術100強。目前，其主要産品為EnergyPod 2（25kw/125kwh模塊）。

明星産品：EnergyPod 2鋅溴液流電池

作為耐久能量存儲器，EnergyPod 2的設計具有單槽、低成本钛電極、無塑料膜等特點，大大減少電池成本，電池成本僅為傳統鋅溴液流電池的50%。EnergyPod 2使用壽命長達20年，在使用過程中無需更換電極堆芯，每次可全功率（25kw）持續運作5小時。

圖6 EnergyPod 2電池結構圖

（2）澳大利亞Redflow

作為澳大利亞上市公司，RedFlow主要針對本國地廣人稀的地理特點，研發以鋅溴液流電池為核心的離網型中小型光儲獨立供電系統，主要生産小型10kWh鋅溴液流電池。

明星産品：ZBM2電池

Redflow的ZBM2電池是一種可擴展的10千瓦時（kWh）鋅 - 溴液流電池，可以單獨工作，也可以擴展為更大容量存儲系統的一部分，适用于住宅、電信、商業和工業以及電網規模。ZBM2電池的溫度适應範圍廣，在15°C至50°C的範圍内，其安全性和使用壽命均不受影響。若通過BM2電池管理系統（BMS），可實現全天候遠程監控，從計算機或移動電話監控管理ZBM2電池。

圖7 ZBM2電池展示圖

參考文獻:

ZHANG, H. (2012). Development and application status of energy storage technologies (Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, 2012). Energy Storage Science and Technology, 1(1), 58-63.

ZHANG, H., & WANG, X. (2013, May). Recent progress on vanadium flow battery technologies (Doctoral dissertation, Dalian Rongke Power Co. Ltd., 2013). Energy Storage Science and Technology, 2(3), 281-288. doi:10.3969/j.issn.2095-4239.2013.03.014

Wang, H. (2016). Vanadium redox batteries (Changjiang Securities). Industry Research Report.

END