宋子琛，張寶鋒，童 博，鐘祎勍，亢 猛

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054； 2.中國(guó)華能集團(tuán)有限公司河北雄安分公司，河北 保定 071799）

液流電池是一種大規(guī)模高效電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。在液流電池中，活性物質(zhì)儲(chǔ)存于電解質(zhì)溶液，具有流動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所與儲(chǔ)能活性物質(zhì)在空間上的分離[1]。一般來(lái)說(shuō)，液流電池具有長(zhǎng)壽命、100%放電深度、水系電解質(zhì)高安全性的優(yōu)點(diǎn)，但能量密度不高。因固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)能量密度要求不高，因此液流電池適用于大規(guī)模蓄電儲(chǔ)能。

自鐵鉻液流電池開(kāi)始，液流電池技術(shù)在近半個(gè)世紀(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，形成了一系列技術(shù)路線和示范性產(chǎn)品。然而，由于各種技術(shù)制約因素和外部環(huán)境影響，只有少數(shù)液流電池技術(shù)進(jìn)入了工程化、商業(yè)化應(yīng)用階段，代表體系有全釩、鐵鉻、鋅溴、鋅鎳、鋅鐵、鋅空、全鐵液流電池等。本文對(duì)上述液流電池的商業(yè)化進(jìn)展進(jìn)行研究，并分析液流電池在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，最后給出相應(yīng)的應(yīng)用和發(fā)展建議。

1 液流電池的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展

1.1 鐵鉻液流電池

鐵鉻液流電池是最早被提出的液流電池技術(shù)，初期由美國(guó)能源部支持，由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）科學(xué)家進(jìn)行研究[2]。鐵鉻液流電池在正極采用Fe2+/Fe3+電對(duì)、負(fù)極采用Cr2+/Cr3+電對(duì)，其電極反應(yīng)如下：

自20世紀(jì)末期開(kāi)始，各國(guó)科學(xué)家和研發(fā)人員對(duì)鐵鉻液流電池進(jìn)行了持續(xù)的研發(fā)，尤其是美國(guó)和日本的相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了不斷推動(dòng)，如美國(guó)NASA劉易斯研究中心（Lewis Research Center）和日本工業(yè)技術(shù)院電子技術(shù)綜合研究所[3-4]，但鐵鉻液流電池產(chǎn)業(yè)化和研究受自身技術(shù)問(wèn)題和全釩液流電池的興起而陷入停滯。至2014年左右，由美國(guó)能源部支持，EnerVault公司在美國(guó)實(shí)施了 一個(gè)250 kW·h/1 MW·h的鐵鉻液流電池示范項(xiàng)目（圖1a)[5-6]），但此后，該公司在鐵鉻液流電池方面再無(wú)進(jìn)展。

我國(guó)國(guó)家電力投資集團(tuán)公司（國(guó)家電投）在鐵鉻液流電池的研發(fā)和應(yīng)用上進(jìn)行了大量工作。2019年11月，由國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（國(guó)家電投中央研究院）研發(fā)的首個(gè)31.25 kW鐵鉻液流電池電堆（“容和一號(hào)”）成功下線。國(guó)家電投中央研究院后聯(lián)合上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司（上海成套院）開(kāi)展國(guó)內(nèi)首個(gè)百千瓦級(jí)鐵鉻液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的建設(shè)工作，2020年12月，建成了250 MW/ 1.5 MW·h液流電池光儲(chǔ)示范項(xiàng)目（沽源戰(zhàn)石溝光伏電站，見(jiàn)圖1b)）[5-7]。

圖1 鐵鉻液流電池近期示范項(xiàng)目 Fig.1 Demonstration projects of iron-chromium flow battery in recent years

當(dāng)然，鐵鉻液流電池在技術(shù)上仍存在一些問(wèn)題，如：負(fù)極的析氫問(wèn)題，降低了電池的能量效率；正負(fù)極電解液的互串交叉污染，會(huì)降低電池容量和效率，導(dǎo)致所用離子傳導(dǎo)膜需要高選擇性，而目前進(jìn)口全氟磺酸膜的成本較高；鉻氧化還原性差，電池的最佳工作溫度較高等。

目前，相關(guān)文獻(xiàn)提出鐵鉻液流電池的循環(huán)壽命可達(dá)10 000次以上，能量效率可達(dá)70%～75%[8]。2018年在巴西部署的110 kW/310 kW·h鐵鉻液流電池系統(tǒng)成本約3 400元/(kW·h)[9]，但也有相關(guān)媒體報(bào)道其能量成本可低于250美元/(kW·h)，即約 1 600元/(kW·h)[10]。

1.2 全釩液流電池

全釩液流電池是目前商業(yè)化程度最高和技術(shù)成熟度最強(qiáng)的液流電池技術(shù)。1978年，意大利Pellegri等人第1次在專利中提及全釩液流電池[11]，但一些研究人員認(rèn)為澳大利亞新南威爾士大學(xué)（The University of New South Wales，UNSW）的Skyllas-Kazacos教授及其團(tuán)隊(duì)最早提出了全釩液流電池[12]，其中Skyllas-Kazacos對(duì)全釩液流電池進(jìn)行了系統(tǒng)性的開(kāi)創(chuàng)工作。全釩液流電池正極采用VO2+/VO2+電對(duì)，負(fù)極采用V3+/V2+電對(duì)，其電極反應(yīng)如下：

由于液流電池最有潛力、發(fā)展最迅速、商業(yè)化程度最高，國(guó)內(nèi)外參與其研究開(kāi)發(fā)的機(jī)構(gòu)較多，澳大利亞、加拿大、日本、美國(guó)等國(guó)家對(duì)全釩液流電池進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)工作，國(guó)內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所（大連化物所）、清華大學(xué)等單位也在全釩液流電池方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的研發(fā)和探索，同時(shí)，一些釩礦企業(yè)也開(kāi)始大規(guī)模進(jìn)軍液流電池領(lǐng)域。在國(guó)外，代表性的企業(yè)有日本住友電氣工業(yè)株式會(huì)社（住友電工），北美UET、Invinity（由redT和Avalon合并)，德國(guó)Voltstorage公司、巴西Largo公司（收購(gòu)Vionx energy），而國(guó)內(nèi)有北京普能世紀(jì)科技有限公司（兼并了國(guó)際知名的加拿大VRB集團(tuán))、大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司（簡(jiǎn)稱融科儲(chǔ)能）、湖南省銀峰新能源有限公司、樂(lè)山晟嘉電氣股份有限公司、國(guó)家能源集團(tuán)、陜西華銀科技股份有限公司（陜西華銀）、上海電氣集團(tuán)、中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司等全釩液流電池研發(fā)公司

2018年以前，由于液流電池較為高昂的造價(jià)，以及對(duì)于儲(chǔ)能技術(shù)并不旺盛的需求，全釩液流電池儲(chǔ)能電站的規(guī)模以百kW至MW級(jí)為主，最大規(guī)模的電站是住友電工為北海道電力公司提供的 15 MW/60 MW·h儲(chǔ)能電站。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)能市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的重視以及釩價(jià)格的下降，一大批全釩液流電池示范項(xiàng)目在世界范圍內(nèi)建成，見(jiàn) 表1。2019年，大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國(guó)家示范項(xiàng)目開(kāi)建，一期規(guī)模100 MW/400 MW·h，總體規(guī)模200 MW/800 MW·h。2021年，隨著雙碳愿景和儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展的深入，全釩液流電池技術(shù)的應(yīng)用 再次提速：2021年8月，國(guó)家電投湖北100 MW/ 500 MW·h全釩液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目在湖北省襄陽(yáng) 市開(kāi)工；2021年10月，大唐中寧共享儲(chǔ)能100 MW/ 400 MW全釩液流電池儲(chǔ)能地質(zhì)勘察項(xiàng)目開(kāi)始招標(biāo)。近年來(lái)，全釩液流電池從kW級(jí)到百kW級(jí)，向著 百M(fèi)W級(jí)發(fā)展，證明液流電池市場(chǎng)日趨成熟，市場(chǎng)對(duì)于全釩液流電池的接受和認(rèn)可程度越來(lái)越高。

表1 全球10 MW以上全釩液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目 Tab.1 The all vanadium flow battery energy storage projects above 10 MW in the world

全釩液流電池技術(shù)較為成熟，當(dāng)下，應(yīng)用層面主要有釩電解液強(qiáng)腐蝕性的滲漏問(wèn)題，進(jìn)口全氟磺酸膜的成本較高以及釩價(jià)格浮動(dòng)造成的釩電解液價(jià)格過(guò)高的問(wèn)題還需解決。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，現(xiàn)階段全釩液流電池循環(huán)壽命可達(dá)20 000次以上，能量效率可達(dá)80%[6,13]。由于釩價(jià)格變化較大，因此需充分考慮釩價(jià)對(duì)全釩液流電池價(jià)格的影響，以五氧化二釩13萬(wàn)元/t的情況為例，MW級(jí)4 h系統(tǒng)成本為3 000～3 900元/(kW·h)。

1.3 鋅溴液流電池

鋅溴液流電池最早由美國(guó)埃克森美孚公司（Exxon Mobil Corporation）發(fā)明。電池正極采用Br-/Br2電對(duì)，負(fù)極采用Zn2+/Zn電對(duì)。正極充電時(shí)Br-被氧化成Br2單質(zhì)，Br2單質(zhì)會(huì)與溶液中的相關(guān)物質(zhì)結(jié)合，沉降在電解質(zhì)溶液底部，因此鋅溴液流電池是一種單沉積液流電池，其電極反應(yīng)如下：

早期，美國(guó)?？松梨诠緦?duì)鋅溴液流電池進(jìn)行了持續(xù)研究，后將其轉(zhuǎn)給了澳大利亞、日本、歐洲的相關(guān)公司，由各國(guó)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)針對(duì)鋅溴液流電池應(yīng)用難點(diǎn)開(kāi)展改進(jìn)研究和示范工作。具有代表性的公司有美國(guó)ZBB公司、Primus Power公司，住友電工以及澳大利亞Redflow公司等[14]。

目前，鋅溴液流電池是除全釩液流電池以外商業(yè)化較為成功的液流電池技術(shù)。在國(guó)外的應(yīng)用方面，早期鋅溴液流電池由于其優(yōu)秀的模塊化設(shè)計(jì)、低成本、高安全特性，被更多地應(yīng)用在用戶側(cè)套利、提高供電穩(wěn)定性方面，使用規(guī)模較小。近年來(lái)，可再生能源的快速發(fā)展使得鋅溴液流電池在發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)開(kāi)始被大規(guī)模應(yīng)用。Primus Power公司于2016年后在哈薩克斯坦的阿斯塔納部署了25 MW/ 100 MW·h的鋅溴液流電池，是當(dāng)時(shí)最大容量的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)[15-16]；Redflow公司2021年3月份簽訂了一項(xiàng)協(xié)議，在加利福尼亞州同生物質(zhì)能源設(shè)施一起部署了2 MW·h的鋅溴液流電池[17]。

國(guó)內(nèi)方面，技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上主要以北京百能匯通科技有限責(zé)任公司（百能匯通）、安徽美能儲(chǔ)能系統(tǒng)有限公司、陜西華銀、特變電工股份有限公司等公司為主。大型新能源基地為鋅溴液流電池在發(fā)電側(cè)提供了很好的應(yīng)用舞臺(tái)。百能匯通在黃河水電百M(fèi)W光伏發(fā)電實(shí)證基地20 MW儲(chǔ)能項(xiàng)目中提供了1 MW·h鋅溴液流電池系統(tǒng)；為華能拓日格爾木光伏電站設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)合型儲(chǔ)能系統(tǒng)，包含采用1 MW/4 MW·h的鋅溴液流電池[18]。2017年，陜西華銀下屬的華秦儲(chǔ)能技術(shù)有限公司（華秦科技）同大連化物所合作開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首套5 kW/5 kW·h鋅溴單液流電池（圖2a)）儲(chǔ)能示范系統(tǒng)，在陜西省安康市陜西華銀廠區(qū)內(nèi)投入運(yùn)行[19]。鋅溴單液流電池有別于傳統(tǒng)鋅溴液流電池技術(shù)，其正負(fù)極采用相同電解質(zhì)溶液，將正負(fù)極的儲(chǔ)罐合并，只需要1套電解液儲(chǔ)存及循環(huán)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，Primus Power公司的EnergyPod 2 產(chǎn)品（圖2b)[20]）同樣采用了單液流的形式。

圖2 鋅溴液流電池產(chǎn)品 Fig.2 Zinc bromine flow battery products

鋅溴液流電池主要存在正負(fù)極活性物質(zhì)泄漏造成的電池自放電問(wèn)題，鋅電池廣泛存在的鋅枝晶問(wèn)題，以及溴本身的腐蝕性、化學(xué)氧化性、很高的揮發(fā)性及穿透性帶來(lái)的防腐與防污染問(wèn)題[21]。同時(shí)，由于鋅溴液流電池為沉積型液流電池，其容量同功率不能完全解耦，因此還存在容量受到鋅電極的限制問(wèn)題。

目前，相關(guān)文獻(xiàn)提出鋅溴液流電池的循環(huán)壽命可達(dá)6 000次以上，能量效率可達(dá)70%[14]。4 h儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的鋅溴液流電池系統(tǒng)的成本為2 000～ 3 000元/(kW·h)。

1.4 鋅鎳單液流電池

鋅鎳單液流電池于2007年由防化研究所的程杰研究員、楊裕生院士開(kāi)發(fā)[22]，其同時(shí)結(jié)合鋅鎳二次電池與液流電池的優(yōu)勢(shì)。與鋅溴單液流電池結(jié)構(gòu)類似，鋅鎳單液流電池正負(fù)極采用同一種電解質(zhì)，無(wú)需離子交換膜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其電極反應(yīng)如下：

在產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)內(nèi)主要有超威集團(tuán)、張家港智電芳華公司和大連化物所，國(guó)外的美國(guó)紐約城市大學(xué)和英國(guó)埃塞克斯大學(xué)分別在2009年和2016年進(jìn)行了該技術(shù)的開(kāi)發(fā)。在應(yīng)用方面，鋅鎳液流電池目前仍處于商業(yè)示范階段，我國(guó)張北國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)能示范區(qū)搭建了存儲(chǔ)容量為50 kW·h的單液流鋅鎳電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（圖3[23]），由168個(gè)200 A·h的單體電池串聯(lián)而成，能量效率可達(dá)80%[24]。在國(guó)外，紐約城市大學(xué)在2014年搭建了1個(gè)25 kW·h的鋅鎳液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

圖3 50 kW·h鋅鎳單液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng) Fig.3 The 50 kW·h Zn-Ni single flow battery energy storage system

鋅鎳液流電池的綜合性能較佳，也進(jìn)行了初步的應(yīng)用示范，但由于鎳價(jià)快速上漲，鋅鎳單液流電池的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力快速減弱，技術(shù)的開(kāi)發(fā)和部署處于較為停滯的階段[25]。在技術(shù)層面，鋅枝晶與積累導(dǎo)致的電池短路以及壽命降低問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究，鋅鎳單液流電池的正負(fù)極面積容量低且功率與容量不能完全解耦，以及電池正極需要高成本燒結(jié)鎳才能保障較長(zhǎng)壽命的問(wèn)題有待解決[25]。

目前，據(jù)相關(guān)廠商資料，鋅鎳單液流電池的循環(huán)壽命可達(dá)10 000次以上，能量效率可達(dá)80%[26]。鋅鎳單液流電池系統(tǒng)的成本約2 600～3 500元/(kW·h)。

1.5 鋅鐵液流電池

堿性鋅鐵液流電池于1981年被提出[27]，之后有中性和酸性鋅鐵液流電池出現(xiàn)，但后兩者未達(dá)到工程化應(yīng)用的程度。其正極電解液組成為亞鐵氰化鉀和KOH溶液，負(fù)極電解液組成為Zn(OH)42-和KOH溶液。電極反應(yīng)如下：

在美國(guó)，鋅鐵液流電池的商業(yè)化應(yīng)用開(kāi)始較早，且在源網(wǎng)荷端均有應(yīng)用案例，美國(guó)VIZn公司為其中的代表性公司。VIZn公司在2015年8月為加拿大安大略電網(wǎng)提供了2 MW/6 MW·h的鋅鐵液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，2017年贏得印度電網(wǎng)有限公司（PGCIL）1 MW·h鋅鐵液流電池訂單。到2019年，國(guó)內(nèi)的緯景儲(chǔ)能科技有限公司獲得VIZn公司鋅鐵液流電池全球生產(chǎn)總部的授權(quán)，并同中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司（江西電建）展開(kāi)合作，后者成為電池儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)集成商及系統(tǒng)技術(shù)支撐方。2019年，江西電建在江西省余干縣建設(shè)了一個(gè)發(fā)電側(cè)示范項(xiàng)目，設(shè)置了1套容量為200 kW/ 600 kW·h的GS200鋅鐵液流電池系統(tǒng)（圖4a)），并結(jié)合20 MW光伏。

圖4 鋅鐵液流電池產(chǎn)品 Fig.4 Zinc Iron flow battery products

在國(guó)內(nèi)，重慶信合啟越科技有限公司同長(zhǎng)沙理工大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了鋅鐵液流電池的產(chǎn)業(yè)化工作，并設(shè)計(jì)出了相應(yīng)樣機(jī)，推進(jìn)了相關(guān)器件的國(guó)產(chǎn)化工作[28]，2021年10月，其同國(guó)家電投集團(tuán)中央研究院簽訂了協(xié)議，共同開(kāi)發(fā)鋅鐵液流電池[29]。另一方面，大連化物所同金尚新能源科技集團(tuán)股份有限公司合作進(jìn)行自主研發(fā)的10 kW級(jí)堿性鋅鐵液流電池儲(chǔ)能示范系統(tǒng)（圖4b)）于2020年在金尚新能源科技股份有限公司廠區(qū)內(nèi)投入運(yùn)行[30]。

在技術(shù)上，鋅鐵液流電池同其他沉積型電池和鋅電池的問(wèn)題一樣，面臨著鋅枝晶與功率和容量不能完全解耦的問(wèn)題，其負(fù)極面容量較低[31]。同時(shí)，鋅鐵液流電池作為一種較新的液流電池，其離子傳導(dǎo)膜等相關(guān)部件產(chǎn)業(yè)鏈不夠成熟，也大大制約了其商業(yè)化推廣和應(yīng)用。

目前，根據(jù)文獻(xiàn)和相關(guān)廠家資料，鋅鐵液流電池的循環(huán)壽命可達(dá)15 000次以上，能量效率可達(dá)80%[28,31]。2018年VIZn公司宣稱其鋅鐵液流電池系統(tǒng)安裝成本低于2 300元/(kW·h)[32]，目前，鋅鐵液流電池的能量成本可達(dá)約2 000元/(kW·h)。

1.6 全鐵液流電池

全鐵液流電池由Hruska和Savinell在1981年進(jìn)行了描述[33]。與釩相比，鐵具有更高的實(shí)用性和更低的成本。全鐵液流電池分為酸性和堿性體系，酸性全鐵液流電池在商業(yè)開(kāi)發(fā)上較為成熟，其正極是Fe3+/Fe2+氧化還原電對(duì)，負(fù)極是Fe2+/Fe氧化還原電對(duì)，電極反應(yīng)如下：

目前，全鐵液流電池的商業(yè)化公司為北美的ESS公司，其經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的探索，將全鐵液流電池的應(yīng)用規(guī)模從百kW·h級(jí)向MW·h級(jí)發(fā)展， 2021年達(dá)成了GW·h級(jí)的相關(guān)協(xié)議，技術(shù)成熟度和市場(chǎng)認(rèn)可度越來(lái)越高，圖5為其全鐵液流電池產(chǎn)品。2017年，巴西Pacto Energia公司就委托ESS公司提供了一個(gè)50 kW/400 kW·h的測(cè)試單元，將其配套在100 kW光伏系統(tǒng)下。2021年4月底，ESS公司簽訂合同在智利部署300 kW/2 MW·h的全鐵液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；2021年下半年簽訂合同在西班牙為風(fēng)光發(fā)電提供8.5 MW·h的儲(chǔ)能系統(tǒng)；2021年9月，ESS公司與軟銀旗下的SDenergy簽署了一項(xiàng)協(xié)議，承諾在2026年前向其提供2 000 MW·h的電池系統(tǒng)[34]。

圖5 ESS公司全鐵液流電池產(chǎn)品 Fig.5 All iron flow battery products of ESS Inc.

德國(guó)Voltstorage公司除開(kāi)發(fā)全釩液流電池外，也同相關(guān)大學(xué)合作開(kāi)發(fā)全鐵液流電池（其稱鐵鹽電池，iron-salt battery)，但未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用階段[35]。

全鐵液流電池的技術(shù)問(wèn)題主要在于同鐵鉻液流電池類似的負(fù)極析氫反應(yīng)以及需要抑制氫氧化鐵沉淀的生成。這些問(wèn)題會(huì)大大降低電池的運(yùn)行效率，減小電池容量，同時(shí)有堵塞離子傳導(dǎo)膜的風(fēng) 險(xiǎn)[36]。國(guó)內(nèi)對(duì)于該體系液流電池的研究與商業(yè)化開(kāi)發(fā)報(bào)道較少。

目前，全鐵液流電池的循環(huán)壽命可達(dá)20 000次以上，能量效率可達(dá)75%[37]。據(jù)有關(guān)媒體報(bào)道，全鐵液流電池的成本為1 600～2 600元/(kW·h)[38]。

1.7 鋅空氣液流電池

北京化工大學(xué)的潘軍青教授在2009年提出了一種鋅空氣液流電池[39]。該電池在充電過(guò)程中，正極發(fā)生氧析出反應(yīng)，鋅離子會(huì)在金屬負(fù)極沉積為金屬鋅；在放電過(guò)程中，正極發(fā)生氧還原反應(yīng)，負(fù)極上的鋅溶解，以鋅離子的狀態(tài)保存到電解液中。其電極反應(yīng)如下：

目前，對(duì)于鋅空氣液流電池的研發(fā)，加拿大ZINC8公司和美國(guó)EOS公司具有代表性。

加拿大ZINC8公司（ZINC8）針對(duì)反復(fù)充放電造成的鋅積累、極化現(xiàn)象、鋅顆粒脫落、功率不能解耦等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了新型鋅空氣液流電池（圖6[40]），其利用一組電堆制備鋅顆粒充電，鋅顆粒制備后流入儲(chǔ)罐中進(jìn)行儲(chǔ)存，放電時(shí)將鋅顆粒再次輸入另一組電堆進(jìn)行反應(yīng)放電，但該技術(shù)還處于技術(shù)示范階段，重點(diǎn)針對(duì)超長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的場(chǎng)景（8 h以上)。2020年，加拿大ZINC8公司計(jì)劃在紐約市布魯克林區(qū)部署一個(gè)100 kW/1.5 MW·h鋅空氣電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。同時(shí)，該公司在2020年12月不列顛哥倫比亞省薩里的一處私人住宅中交付了一套40 kW/160 kW·h液流電池。

圖6 ZINC8鋅空氣液流電池 Fig.6 ZINC8 zinc-air flow battery products

美國(guó)EOS公司（EOS）從2012年開(kāi)始鋅空氣液流電池的商業(yè)化研發(fā)，雖然其在初期公開(kāi)表示研發(fā)鋅空氣液流電池技術(shù)[41]，同時(shí)相關(guān)研究人員也認(rèn)為EOS是最早進(jìn)行鋅空氣液流電池商業(yè)化的公司[42-43]，但EOS近年來(lái)推出的Znyth技術(shù)采用了無(wú)泵化設(shè)計(jì)，并對(duì)外稱為水鋅電池，采用中性電解液的鹵化鋅循環(huán)，其具體采取的技術(shù)路線還有待考察。EOS的Znyth技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用取得了巨大成功，主要針對(duì)電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電側(cè)，得到了GW·h級(jí)的訂單。2020年，EOS在希臘一家煉油廠部署了一套容量為4 MW·h的儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)計(jì)劃在美國(guó)德克薩斯州和加利福尼亞州共部署1.5 GW·h的新型鋅電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。2020年11月，EOS與美國(guó)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)商Hecate Energy簽署了一項(xiàng)協(xié)議，雙方將共同部署超1 GW·h的水鋅化學(xué)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，預(yù)計(jì)價(jià)值約2.5億美元[44-45]。

在技術(shù)上，鋅空氣液流電池同其余大部分鋅液流電池一樣，也面臨著鋅枝晶的問(wèn)題。同時(shí)，其還面臨著電流密度低、氧析出氧還原雙效催化劑開(kāi)發(fā)不全面的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)如北京化工大學(xué)、江蘇沃泰豐能公司等也進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，但距離產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。

目前，ZINC8對(duì)外宣稱其鋅空氣液流電池的循環(huán)壽命可達(dá)20 000次以上，能量效率為65%，EOS則宣稱其產(chǎn)品循環(huán)壽命可達(dá)5 000次，能量效率可達(dá)75%。據(jù)ZINC8官網(wǎng)和EOS公司最近簽訂的合同數(shù)據(jù)，其4 h儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)產(chǎn)品的成本分別約為2 000、1 100元/(kW·h)[40,44]。

1.8 小結(jié)

目前，液流電池的商業(yè)化進(jìn)展可以分為技 術(shù)開(kāi)發(fā)階段、kW·h到百kW·h級(jí)技術(shù)示范階段、MW·h級(jí)商業(yè)示范階段、十MW·h級(jí)商業(yè)化應(yīng)用階段、十MW·h以上級(jí)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用階段。

表2匯總了各類液流電池商業(yè)化進(jìn)展情況。

表2 各類液流電池商業(yè)化進(jìn)展情況 Tab.2 Commercialization progress of various flow batteries

全釩液流電池作為技術(shù)最成熟、產(chǎn)業(yè)化最充分的液流電池技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外都得到了充分認(rèn)可，目前正處于大規(guī)模商業(yè)化推廣階段，相關(guān)單體電站的容量已達(dá)到800 MW·h的超大規(guī)模，當(dāng)前限制其發(fā)展的最重要因素是釩價(jià)格劇烈變化導(dǎo)致的電解液成本過(guò)高問(wèn)題。

鐵鉻液流電池和鋅鎳液流電池國(guó)內(nèi)外在商業(yè)化程度上基本相同，前者在技術(shù)上較為成熟，目前處于商業(yè)化示范向商業(yè)化應(yīng)用的過(guò)渡時(shí)期，而后者受制于鎳價(jià)的快速上漲，仍處于技術(shù)示范階段，沒(méi)有得到進(jìn)一步的技術(shù)放大和應(yīng)用。

鋅溴、鋅鐵液流電池在國(guó)內(nèi)的商業(yè)化進(jìn)展稍稍落后于國(guó)外。在技術(shù)層面，鋅溴液流電池作為國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)時(shí)間研發(fā)的電池體系，其技術(shù)和產(chǎn)品的成熟度較高，后續(xù)商業(yè)化推廣一方面依賴相關(guān)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新突破，降本增效，另一方面還需要更精準(zhǔn)的場(chǎng)景應(yīng)用與推廣。鋅鐵液流電池在技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈上還不夠成熟，但其具有較高的能量效率，較長(zhǎng)的循環(huán)壽命以及較低的材料成本，后續(xù)商業(yè)化前景廣闊。

從商業(yè)化進(jìn)展看，鋅空液流電池和全鐵液流電池在國(guó)外都進(jìn)入了相應(yīng)的商業(yè)化應(yīng)用階段，證明其產(chǎn)品在技術(shù)路線上已得到一定的市場(chǎng)證明和檢驗(yàn)，然而，其在國(guó)內(nèi)均還處于技術(shù)研發(fā)階段，沒(méi)有進(jìn)行商業(yè)化推進(jìn)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，2種技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、適用性以及進(jìn)一步的商業(yè)化進(jìn)展需要緊密跟蹤。

綜上，可以看出目前儲(chǔ)能市場(chǎng)對(duì)于液流電池技術(shù)呈關(guān)注度逐漸加深、認(rèn)可度逐步加大的態(tài)勢(shì)，裝機(jī)量也在快速提升。在選取的技術(shù)體系方面，國(guó)內(nèi)對(duì)于全釩液流電池的商業(yè)化推進(jìn)進(jìn)展較快，但其余技術(shù)的商業(yè)化進(jìn)展落后于國(guó)外。

2 液流電池在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景

2.1 電力儲(chǔ)能典型場(chǎng)景介紹

目前，從整個(gè)電力系統(tǒng)的角度看，儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景可以分為發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能和用戶側(cè)儲(chǔ)能，具體見(jiàn)表3。實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)各場(chǎng)景的需求對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行分析，找到最適合的儲(chǔ)能技術(shù)。

表3 電力系統(tǒng)主要儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景 Tab.3 Main application scenarios of energy storage in power system

2.2 液流電池在電力系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景分析

目前，在電力系統(tǒng)電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)同液流電池形成最強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)為鋰離子電池技術(shù)，其具有功率響應(yīng)快、效率高的特點(diǎn)，且近年來(lái)成本快速降低，最低儲(chǔ)能系統(tǒng)中標(biāo)價(jià)低至1.321元/Wh[46]，而全釩液流電池僅電解液的成本就已經(jīng)高于這一價(jià)格。同時(shí)，在0.25C的4 h運(yùn)行要求下，高品質(zhì)鋰離子電池循環(huán)次數(shù)可能超過(guò)8 000次，有的高達(dá)萬(wàn)次。根據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)預(yù)計(jì)，鋰電價(jià)格2024年會(huì)達(dá)到100美元/(kW·h)以下、2030年將低至62美元/(kW·h)，而隨著性能的繼續(xù)優(yōu)化，鋰離子電池會(huì)進(jìn)一步擠壓儲(chǔ)能領(lǐng)域其他技術(shù)的商業(yè)空間[47]。

對(duì)此，液流電池需要進(jìn)一步發(fā)揮其長(zhǎng)時(shí)間大容量的儲(chǔ)能特性、超長(zhǎng)壽命和極高的安全性能，才能在儲(chǔ)能市場(chǎng)中占有更重要的地位。

2.2.1 發(fā)電側(cè)

1）火電廠

目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)在火電廠中應(yīng)用的場(chǎng)景主要為調(diào)峰和調(diào)頻，主要采用磷酸鐵鋰電池，主要收益來(lái)自提升火電廠調(diào)頻的機(jī)組考核分?jǐn)?shù)，已達(dá)到盈利目的。火電對(duì)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)要求并不高，對(duì)于功率特性的需求大于容量特性，因此現(xiàn)階段液流電池在火電上的應(yīng)用還不廣泛。同時(shí)，火電進(jìn)行靈活性調(diào)峰改造的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于安裝相同功率的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備，導(dǎo)致液流電池在火電廠應(yīng)用困難。但另一方面，液流電池的長(zhǎng)壽命、多循環(huán)次數(shù)特性可以很好地適應(yīng)火電廠儲(chǔ)能應(yīng)用中使用次數(shù)過(guò)多、小功率波動(dòng)過(guò)多的需求，液流電池的功率調(diào)節(jié)速率也優(yōu)于電廠自身的升降功率過(guò)程，在進(jìn)一步降低成本后，作為輔助的調(diào)頻調(diào)峰手段，有可能獲得很好的發(fā)展前景。

2）新能源及多能互補(bǔ)

在目前新能源與儲(chǔ)能共同部署的情況下，較低的上網(wǎng)電價(jià)、相應(yīng)政策的缺乏使儲(chǔ)能系統(tǒng)缺乏盈利模式，是困擾各類儲(chǔ)能技術(shù)在該方向發(fā)展的重要問(wèn)題。目前，各地的新能源強(qiáng)制配備儲(chǔ)能政策雖然促進(jìn)了新能源發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能的部署量，但實(shí)際安裝儲(chǔ)能后的運(yùn)行情況較差，項(xiàng)目收益很低。對(duì)于全國(guó)大部分地區(qū)強(qiáng)制要求的新能源項(xiàng)目按照10%～20%裝機(jī)、1～2 h容量配置儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，由于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)較短，與鋰離子電池相比液流電池競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)。

2021年8月，國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局發(fā)布《關(guān)于鼓勵(lì)可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購(gòu)買調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模的通知》（發(fā)改運(yùn)行〔2021〕1138號(hào)），提出超過(guò)電網(wǎng)企業(yè)保障性并網(wǎng)以外的規(guī)模初期按照功率15%的掛鉤比例（時(shí)長(zhǎng)4 h以上）配建調(diào)峰能力，按照20%以上掛鉤比例進(jìn)行配建的優(yōu)先并網(wǎng)。其中市場(chǎng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)4 h以上的要求給了液流電池很大的發(fā)揮空間和應(yīng)用可能性[48]。

可以預(yù)見(jiàn)，液流電池配合新能源電站增加并網(wǎng)規(guī)模的探索會(huì)增加。同時(shí)，因?yàn)橐话闱闆r下新能源配建儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)功率和容量都較大，液流電池除了調(diào)峰以外，也可以兼顧新能源場(chǎng)站平滑出力、電能質(zhì)量改善、跟蹤計(jì)劃出力等場(chǎng)景。隨著液流電池成本的下降和新能源裝機(jī)的進(jìn)一步增加，預(yù)計(jì)聯(lián) 合新能源進(jìn)行調(diào)峰并提供輔助服務(wù)將成為液流電池重要的應(yīng)用方向。同時(shí)，對(duì)于風(fēng)光火儲(chǔ)一體化能源基地，液流電池可以搭配其他儲(chǔ)能技術(shù)，成為整個(gè)能源基地多能互補(bǔ)調(diào)度重要的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能手段。

3）核電

由于液流電池良好的安全性能和大容量特性，核電也在探索兩者的聯(lián)合應(yīng)用，但相關(guān)應(yīng)用尚在探索期[49]。

2.2.2 電網(wǎng)側(cè)

電網(wǎng)側(cè)在高可再生能源占比下，由于需要進(jìn)行大范圍長(zhǎng)時(shí)間調(diào)度，對(duì)于儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的要求進(jìn)一步提高。因此在國(guó)外，許多區(qū)域性電網(wǎng)、微網(wǎng)穩(wěn)定性較差，覆蓋范圍很小，沒(méi)有合適的抽蓄、壓縮空氣電站建設(shè)資源，液流電池就是用于電網(wǎng)級(jí)長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能的較優(yōu)方案。目前，液流電池在世界范圍內(nèi)的主要部署場(chǎng)景也在這一方面，通過(guò)部署4 h以上的儲(chǔ)能電站，提高整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時(shí)，對(duì)于延緩輸配電設(shè)備擴(kuò)容，每年300多次的次數(shù)和每次4～8 h的充放時(shí)間很適合使用液流電池，也是液流電池適用的應(yīng)用場(chǎng)景，只是中國(guó)電網(wǎng)的高度穩(wěn)定性使該應(yīng)用場(chǎng)景較為少見(jiàn)。

2.2.3 用戶側(cè)

目前，國(guó)內(nèi)用戶側(cè)的峰谷套利是能獲得盈利的儲(chǔ)能應(yīng)用方向，其商業(yè)邏輯也很明晰。其次，將儲(chǔ)能布署在用戶側(cè)，由于涉及更高要求的生命及財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的安全性要求極高，鋰離子電池的安全性存在相應(yīng)隱患，而目前液流電池技術(shù)的高安全性可以發(fā)揮很大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，我國(guó)峰谷時(shí)段一般為峰8 h平8 h谷8 h，很符合液流電池的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)存特性。隨著2021年國(guó)家發(fā)展改革委和國(guó)家能源局要求進(jìn)一步放大峰谷電差價(jià)的相關(guān)規(guī)定，該方向?qū)⒊蔀橐毫麟姵氐闹匾獞?yīng)用和發(fā)展方向[50]。

3 液流電池的應(yīng)用與發(fā)展建議

1）優(yōu)先發(fā)展資源豐富、綜合成本較低的液流電池技術(shù)。

目前，全釩液流電池在產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化各方面已相當(dāng)成熟，但由于釩價(jià)高昂（產(chǎn)生每kW·h電的電解液成本可能超過(guò)2 000元），同時(shí)鋰離子電池價(jià)格極低（整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本1 400元/(kW·h)），因此，在未來(lái)液流電池若同鋰離子電池進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，必須開(kāi)發(fā)材料成本較低的技術(shù)路線。2010年，美國(guó)能 源部（DOE）高級(jí)研究項(xiàng)目能源局（ARPA-E）為儲(chǔ)能電池設(shè)定了100美元/(kW·h)的目標(biāo)成本[51]，相關(guān)研究表明，對(duì)于工作電壓為1.5 V的水系液流電池，其活性物質(zhì)的成本需要低于5美元/kg才能實(shí)現(xiàn)電堆系統(tǒng)120美元/(kW·h)的成本目標(biāo)[52]。因此，必須發(fā)展綜合成本低的液流電池技術(shù)路線。圖7[53]給出了各類電化學(xué)電池化學(xué)成本及出現(xiàn)年代。

圖7 電化學(xué)電池化學(xué)成本及出現(xiàn)年代 Fig.7 Chemical cost and year of occurrence of electrochemical battery

從圖7可以看出，鋅空氣（Zn/air）液流電池、鋅溴（Zn/Br）液流電池、全鐵（Fe/Fe）液流電池、鋅鐵（Zn/Fe）液流電池的化學(xué)成本較低，隨著技術(shù)的發(fā)展，其成本進(jìn)一步降低后可以挑戰(zhàn)鋰離子電池的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，可成為今后液流電池發(fā)展的重要技術(shù)方向。

2）現(xiàn)階段的液流電池應(yīng)用不能只看長(zhǎng)壽命，應(yīng)算好經(jīng)濟(jì)賬。

液流電池由于其容量特性，極適用于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能場(chǎng)景，且由于具有超多次循環(huán)次數(shù)，其客觀上存在極高的壽命和很低的全生命周期度電成本。但是，儲(chǔ)能的超大容量和超多次循環(huán)壽命間的需求是相互偏離的：當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)超過(guò)4 h，一充一放的時(shí)間就將達(dá)到8 h，日均充放電次數(shù)很難超過(guò)2次；當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)超過(guò)8 h，一充一放的時(shí)間就將達(dá)到16 h，日均充放電時(shí)間很難超過(guò)1次。因此，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能下液流電池年度的充放電次數(shù)一般在300多次，使用10年的次數(shù)只有3 000～5 000次。若單純使用全生命周期度電成本衡量，會(huì)嚴(yán)重誤導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的選用和項(xiàng)目的收益預(yù)期。

因此，在實(shí)際規(guī)劃時(shí)，應(yīng)精確計(jì)算目標(biāo)場(chǎng)景下相應(yīng)的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)和頻次，避免液流電池在實(shí)際使用中的“壽命和性能過(guò)剩”。

3）重視相關(guān)資源鏈的整合和發(fā)展。

未來(lái)可以預(yù)見(jiàn)的巨大儲(chǔ)能需求，使得相應(yīng)儲(chǔ)能技術(shù)在所需資源上需要有更大的裕度。目前，全釩液流電池仍然是在產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化各方面最為成熟的液流電池技術(shù)，其相關(guān)性能也極為優(yōu)秀，但受制于高額的釩價(jià)格，其成本居高不下，在國(guó)內(nèi)外的項(xiàng)目開(kāi)拓上陷入瓶頸，被鋰離子電池?cái)D壓市場(chǎng)空間。

但是，隨著國(guó)內(nèi)外業(yè)界對(duì)液流電池技術(shù)和釩產(chǎn)業(yè)整合和發(fā)展重視程度的增加，釩的相關(guān)成本有極大的下降空間。另一方面，由于全釩液流電池電解液穩(wěn)定性極佳，因此，通過(guò)租用電解液等方法降低全釩液流電池建設(shè)成本等商業(yè)模式上的創(chuàng)新成為可能，通過(guò)釩資源鏈商業(yè)模式的創(chuàng)新，可大大降低全釩液流電池的總體成本，加快其部署速度。

因此，應(yīng)密切關(guān)注釩資源鏈的發(fā)展和變化，研究釩液流電池相應(yīng)成本下降前景和新型商業(yè)模式。

4 結(jié) 語(yǔ)

在碳中和、碳達(dá)峰大背景下，儲(chǔ)能技術(shù)必將快速發(fā)展，作為適用于電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的技術(shù)形式，液流電池在電力儲(chǔ)能方面具有廣闊的應(yīng)用前景，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)均有很好的應(yīng)用切入點(diǎn)，技術(shù)需求切合度較高。同時(shí)，其發(fā)展種類豐富，各種技術(shù)路線漸趨成熟，成本下降很快，特別是2019年后，呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展。預(yù)計(jì)通過(guò)相應(yīng)的技術(shù)方案和產(chǎn)業(yè)整合，液流電池會(huì)得到更蓬勃的發(fā)展。