液流电池发展综述及未来市场展望

液流电池发展综述

一

1. 发展背景

随着社会和经济的发展，对能源需求日益增加，化石能源的大量消耗所造成的环境压力日益突出。因此，各国家需要实现节能减排以及大规模利用可再生能源。根据《储能与液流电池技术》，到2030年，日本、美国、德国规划本国可再生能源消费将分别占到其总电力消费的34%、40%、50%。而我国的规划是到2020年，可再生能源在全部能源消费中将达到15%。由此可见，在电力消费方面，可再生能源逐渐从辅助角色转变为主导角色。

但风能、太阳能等可再生能源发电受时间、昼夜、季节等因素影响，具有明显的不连续、不稳定及不可控的非稳态特性。因此，大规模高效储能的技术是解决可再生能源发电不稳定的重要途径。液流电池由于具有安全性高、储能规模大、效率高、寿命长等特点，在大规模储能领域具有很好的应用前景。

因此，本文通过对液流电池的发展历程、特点与全球代表企业及其明星产品进行梳理，希望能让有兴趣的企业可以从本文这一斑窥出液流电池行业的全貌。

2. 定义

液流电池是由美国科学家Thaller（NASA Lewis Research Center）于1974年提出，是一种活性物质存在于液态电解质中的二次电池技术。电解液置于电池堆外部，在循环泵的推动下流经电堆，并通过发生电化学反应，实现化学能与电能的转换，从而实现电能的存储与释放。具体示意图如下。

图1 液流电池流程示意图

根据活性物质的不同，液流电池可分为全钒液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠/溴液流电池、铁/铬液流电池等。

从目前技术成熟度和工程应用效果看，全钒液流电池技术进入工程应用、市场开拓阶段，开始实现商业化；锌溴液流电池技术进入应用示范、市场开拓阶段；其他液流电池的应用案例较少，或仍处于研究阶段。全钒液流电池与锌溴液流电池的特色是正负极电解液不存在交叉污染的问题，这是两种电池脱颖而出的主要原因。因此，在第二、三部分，我们主要分析全钒液流电池与锌溴液流电池的特点与市场前景。

3. 政策分析

目前液流电池在储能市场中的占比不大，全球范围内，与液流电池直接相关的促进政策并不多。由于中国的钒资源储量丰富，中国目前以全钒液流电池为主。而全球最早的全钒液流电池的行业标准（《全钒液流电池通用技术条件：NB/T 42040-2014》）便是由中国于2014年发布的。而在2016-2018年，与全钒液流电池相关的国家标准也由我国陆续发布，涉及通用技术条件、系统测试方法、安全要求、用电解液等方面。可见，全钒液流电池是中国在储能领域中发展的重点之一。

而其他的液流电池，如锌溴液流电池，也在2017、2018年陆续发布其行业标准，如《锌溴液流电池通用技术条件：NB/T 42135-2017》和《锌溴液流电池 电极、隔膜、电解液测试方法：NB/T 42146-2018》等。可见，中国在近几年大力鼓励并促进液流电池的发展，液流电池的市场前景较为乐观。

在国际方面，2014年4月，国际电工委员会（IEC）决定由张华民教授作为负责人，代表中国牵头制定《IEC 62932-2-1 Flow Battery Systems for Stationary Applications - Part 2-1: Performance General Requirements & Methods of Test》（《固定式领域用液流电池 第2-1部分：性能一般要求及试验方法》）。该国际标准是国际第一个囊括液流电池技术和质量指标的标准。

液流电池原理及特点

二

1. 全钒液流电池

原理

根据《全钒液流电池技术最新研究进展》所述，全钒液流电池中，钒电解液是电能存储介质，存储在电池外部储罐中。钒电解质溶液通过循环系统进入电堆，在电极表面发生氧化还原反应。放电时，电池正负极电势差降低，化学能转化为电能；充电时，电池正负极电势差升高，电能转化为化学能，从而实现了电能的存储与释放。

特点

对比锂电池，全钒液流电池具有以下优势：

• 安全性高：电池的电解液为水溶液，且反应场所和活性物质储存场所分开，不会出现着火、爆炸等事故，安全性能极高；
• 100%充放电：该类电池放电深度可达100%，且对电池性能不会造成任何伤害，相反会对电池寿命有益。
• 容量和功率可独立配置：电堆的数量决定着系统的输出功率，电解液的用量决定了系统的容量，这两者相互独立。
• 热管理简单：电池运行时，电解液在系统内部循环，带走内部的热量，同时溶液有很大的比热容，电池有很高的热稳定性。

但根据长江证券的研究报告《钒电池那些事儿》，全钒液流电池在使用过程中具有以下的劣势：

• 石墨极板易被正极液刻蚀，如果用户操作不当，一次充电就能让石墨板完全刻蚀，电堆只能报废。在正常使用情况下，每隔两个月就要由专业人士进行一次维护，这种高频次的维护费钱、费力。
• 钒电池成本过高（具体详见第三章）且不环保。配制电解液用到的原料、正极沉淀以及泄漏的正极液经风干后形成的薄层都有五氧化二钒，属于剧毒化学品。

与其他液流电池相比，除上述几点，全钒液流电池仍具有能量密度低（即电池续航时间较短）、占地面积大等问题。电池系统需要配置大量的管路、阀件、电解液循环泵、换热器等辅助部件，使液流电池更为复杂，对电池系统的可靠性提出了更高的要求。

2. 锌溴液流电池

原理

锌溴液流电池是一种单沉积型液流电池，负极电对的充放电产物不溶于电解液而沉积在电极上。正负半电池由隔膜分开,两侧电解液均为ZnBr2溶液。电解液在储液罐和电池构成的闭合回路中循环流动的原动力为动力泵。化学反应的动力是氧化还原反应电极对间的电势差。充电时锌沉积在负极上,正极上溴离子失去两个电子变成单质溴。放电时,与充电过程相反，在负、正极上分别生成锌离子和溴离子。

特点

除了拥有一般液流电池的共同优势外，与全钒液流电池相比，锌溴液流电池具有以下优势：

• 锌-溴液流电池具有较高的能量密度，根据《储能与液流电池技术》，锌溴液流电池的能量密度可达到70 W·h/kg，且其材料成本较低；
• 所使用的电极及隔膜材料主要成分均为塑料，不含重金属，价格低廉，可回收利用且对环境友好。

目前，锌溴液流电池的研发主要面临以下难点需要突破，如：

• 根据《储能与液流电池技术》，由于锌电极在充电过程中易形成树状结晶，导致其储能容量衰减快、使用寿命短。但在电解液流动状态下，结晶现象基本解决。
• 溴的腐蚀性与穿透性：锌溴电池电解液酸度不大，PH在3.5左右，酸腐蚀基本很小，应该多来源于溴的穿透性，因为提高了电池的设计难度。

未来市场展望

三

受限于液流电池中钒、锌等元素在水中的溶解度，相较于锂电池和全固态电池，液流电池始终存在能量密度较低的劣势，导致电池体积相对更大，需要配套复杂的管道系统，因此液流电池适用于固定式的，对空间、承重要求不是很严格的应用场合，例如：可再生能源发电的平滑稳定输出、计划发电、电信基站储能、电网削峰填谷等固定储能应用领域，或是安装在微型的私人家庭,中小型的商业活动区域，甚至是用于大型企业做储能设备,以满足企业所有的能源需求。

液流电池必将成为全球储能市场的发展方向之一，也是我国电力能源储蓄的需求所在。为此，下文将对已在市场上应用的全钒液流电池与锌溴液流电池进行成本与前景的分析，并在海外筛选几家有代表性的液流电池企业及其值得关注的产品。

1. 全钒液流电池

市场分析

（1）成本构成与预测

根据《全钒液流电池技术最新研究进展》，全钒液流电池的成本主要由钒电解液一次性成本与电堆成本构成，各占总成本的35%。电堆成本主要由离子交换膜价格影响，占电堆成本的55%，但目前大部分供应商用的是杜邦公司的Nafion膜。由于没有替代产品且关于如何降低离子交换膜成本的研究很少，离子交换膜的价格很高。钒电解液主要取决于钒矿的价格，钒原料的纯度对钒电解液和电池的性能影响很大，因此供应商往往采用高纯度的钒原料，从而增加了全钒液流电池的成本。

图2 全钒液流电池（左）与电堆成本（右）的成本结构

高成本是制约全钒液流电池大规模普及应用的瓶颈。实现离子膜国产化；提高电流密度，减少电堆用量；提高钒离子的溶解度，减少电解液用量，均是降低电池成本的重要途径。

（2）市场前景

目前，行业与学术界均认为钒电池最适合中国发展。主要原因有三点：一，中国钒矿资源储存量世界第一；二，经过多年研究中国拥有核心技术，且通过跨国整合，全球钒电池核心技术也主要由中国公司掌握；三，钒电池的特点寿命长、可重复放电、可靠性较高，完全满足中国建设智能电网的需求。

按照《新能源汽车产业发展规划》和近年来电池行业数据测算，铅酸电池、电动车用电池、电动汽车用电池三块合计大约是3000 亿元的市场。中研网预测，到2022年中国钒电池市场规模将达到15000亿元以上。

代表企业及其明星产品

（1）日本住友电工公司（SEI）

日本住友电工公司早在上世纪90年代开始全钒液流电池技术研发，具有领先的系统集成和工程应用技术，但其关键功能性材料和部件依赖外购，成本偏高。

明星产品：以可再生能源为基础的微型智能电网系统

以直流（DC）方式将太阳能和风能等可再生能源发电设备和蓄电池连接起来的Micro Smart-Grid（微型智能电网）系统，通过智能管理来源于大自然的不稳定能源和电力需求，可稳定且高效地向各种设备和机器（负荷）供电，产生的电力用于区域内的部分照明、家电产品以及超导电动汽车的充电站。

该系统可以实现：调节电网对区域供电量；提高受天气影响的CPV的供电稳定性，实现太阳能、风能发电的有计划使用；对于削峰填谷运作以及事先制定用电计划，随着电力负载的变化对放电量进行调整。

图3 微型智能电网系统整体构成图

（2）美国UniEnergy Technologies（UET）

UniEnergy Technologies拥有世界领先的混合酸型全钒液流电池技术，并与融科储能合作，承担建造了美国首个兆瓦时级全钒液流电池储能电站。

明星产品：ReFlex™能量存储系统

ReFlex™可为商业和工业客户提供全方位的电力和能源，可提供从kw到MW规模的弹性和模块化解决方案。ReFlex™支持智能电网和微电网，集成可再生能源，满足公用事业需求。该产品的主要优势为：零降解、无限循环、无热失控、不易燃的电解质、寿命达20年以上、高度可回收等。

图4 ReFlex™展示图

2. 锌溴液流电池

市场分析

（1）成本构成与预测

根据太平洋证券的研究数据，锌溴液流电池的平均投资成本为307欧元/千瓦时（换算成人民币，约2363元/千瓦时）。与全钒液流电池类似，电池成本主要由电解液、离子交换膜、电控系统影响。根据宏源证券对美国ZBB Energy锌溴液流电池的成本分析，电解液、离子交换膜、电控系统各占电池总成本的30%（详见下图）。锌溴电池的电解液成分为锌和溴，其中锌是一种很常见的金属，容易大量获取而且价格较低，而另一种成分溴更是常见，甚至在污水中就能提取。这个先天性的特质决定了锌溴电池在成本方面具有的优势。

图5 美国ZBB Energy锌溴液流电池成本构成(source:宏源证券)

（2）市场前景

因其低廉的成本卓越的性能特性，锌溴电池是一个前景广阔的技术，将来有望在新能源发电、电网削峰填谷、用电大户错峰储电、电动汽车充电等领域得到广泛应用。但就其现阶段的发展状况来看，仍需要国家政府、研究机构等各方力量的共同参与、努力，方能快速地发展壮大。

国内从事储能电池特别是锌溴电池研究的研究机构屈指可数，同时缺乏相关的国家资助科技攻关项目支撑。如果仅仅依靠民营企业的参与，无论从资金规模或技术实力以及政策支持方面，都将使锌溴液流电池的技术研发和产业发展被迫减缓。

代表企业及其明星产品

（1）美国Primus Power

Primus Power一直从事锌溴液流电池开发，获得60项专利保护。并在2019年，在来自90个国家的13000名创新者中，入选全球清洁技术100强。目前，其主要产品为EnergyPod 2（25kw/125kwh模块）。

明星产品：EnergyPod 2锌溴液流电池

作为耐久能量存储器，EnergyPod 2的设计具有单槽、低成本钛电极、无塑料膜等特点，大大减少电池成本，电池成本仅为传统锌溴液流电池的50%。EnergyPod 2使用寿命长达20年，在使用过程中无需更换电极堆芯，每次可全功率（25kw）持续运作5小时。

图6 EnergyPod 2电池结构图

（2）澳大利亚Redflow

作为澳大利亚上市公司，RedFlow主要针对本国地广人稀的地理特点，研发以锌溴液流电池为核心的离网型中小型光储独立供电系统，主要生产小型10kWh锌溴液流电池。

明星产品：ZBM2电池

Redflow的ZBM2电池是一种可扩展的10千瓦时（kWh）锌 - 溴液流电池，可以单独工作，也可以扩展为更大容量存储系统的一部分，适用于住宅、电信、商业和工业以及电网规模。ZBM2电池的温度适应范围广，在15°C至50°C的范围内，其安全性和使用寿命均不受影响。若通过BM2电池管理系统（BMS），可实现全天候远程监控，从计算机或移动电话监控管理ZBM2电池。

图7 ZBM2电池展示图

参考文献:

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