液流电池

液流电池 作者 摘要 李卿云 行业头豹分类/能源、采矿业/能源设备与服务头豹分类/能源、采矿业/能源设备与服务/能源设备与服务港股分类法/能源 关键词新型储能液流电池全钒液流电池 液流电池行业定义 液流电池是由美国科学家Thaller于1974年提出的一种电化学储能技术，通过电解液中活性物质在电极上发生电化学氧化还原反应来实现电能和化学能的相互转化。在众多储能技术中，液流电池储能技术具有安全可靠、生命周期内性价比高、环境友好、循环寿命长等优点。液流电池产业链上游包括电池电堆与电解液的制造，电堆与电解液在电池系统中的占比分别为35%与40%，是液流电池成本构成的主要部分，中游为液流电池系统集成，中国液流电池累计装机规模持续上涨，但在电化学储能市场中的装机规模占比仍然偏低，产业链下游分为电源侧、电网侧与用户侧，当前液流电池的应用以电源侧为主。中国液流电池行业的存量市场规模呈高速增长态势，2018-2021年的历史市场规模年均复合增长率为55.2%，2022年市场规模达10.6亿元，预计2027年将达248.9亿元，2022-2027年市场规模年均复合增长率达87.9%。液流电池行业目前尚处商业化发展初期，市场体量较小，竞争格局较为分散。从技术领先程度来看，融科储能凭借持有的310项相关专利在中国液流电池企业中一枝独秀。位于第二梯队的北京普能、武汉南瑞、上海电气等持有专利数目在50-100项之间，已具备建设MW级液流电池储能电站的能力。未来随着入局企业的增多，液流电池行业的竞争有望加剧，具备优质人才资源、技术储备与产业链一体化布局能力的企业将在市场竞争中脱颖而出，行业出清加速。 1. 液流电池是由美国科学家Thaller于1974年提出的一种电化学储能技术，通过电解液中活性物质在电极上发生电化学氧化还原反应来实现电能和化学能的相互转化。在众多储能技术中，液流电池储能技术具有安全可靠、生命周期内性价比高、环境友好、循环寿命长等优点。自20世纪70年代以来，液流电池的发展跨越了从基础研究到工程应用示范的技术瓶颈，在变革能源生产、转化、运输、存储、消费全产业链中起着举足轻重的作用，为驱动国家清洁低碳、安全高效的能源体系建设提供了关键技术支撑。 液流电池行业分类 2. 根据正负极电解质溶液中活性电对种类的不同，液流电池可主要分为铁铬液流电池、锌溴液流电池与全钒液流电池。 液流电池行业特征 全钒液流电池是通过正负极电解液中不同价态钒离子的电化学反应来实现电能和化学能互相转化的储能装置。该电池体系最大的优点是正负极氧化还原电对使用同种元素钒，电解液在长期运行过程中可再生，避免了交叉污染带来的电池容量难以恢复的问题，使用寿命长。全钒液流电池正负极氧化还原电对的电化学反应动力学良好，在无外加催化剂的情况下即可达到较高的功率密度。而且该电池在运行过程中无明显析氢、析氧副反应，具有优良的可靠性。因此，全钒液流电池技术得到了长足的发展，已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。2021年，钒生产商BushveldMinerals宣布在南非建设年产200MWh钒电解液生产厂；2022年3月，Invinity签约苏州市吴江区全钒液流电池系统生产制造项目；住友电工与北海道电力工业公司签署合同，将于2022年建成17MW/51MWh的全钒液流电池储能电站，加速推进了全钒液流储能示范项目的应用和推广。 全钒液流电池 锌溴液流电池的正、负极两侧电解液组分（溴化锌）完全一致，不存在电解液的交叉污染，电解液再生简单，且原材料资源丰富，度电成本较低，电池环保性能与安全性能好，不易发生燃爆。锌溴液流电池电压高达1.82V，电池活性物质浓度高，理论能量密度高达430Wh/kg，相同容量的液流电池，锌溴液流电池所需电解液体积更少，实际应用中占地面积更小。锌溴液流电池也是目前技术成熟度最高的锌基类液流电池，在海外获得了较好发展。其中，以澳大利亚的Redflow，美国PremiumPower和ZBB为代表的公司对其进行了商业化开发，并取得了较好的产业化进展，但这些公司所研发的锌溴液流电池工作电流密度普遍较低(10-20mA/cm²)，导致电堆功率密度偏低。 锌溴液流电池 铁铬液流电池体系采用铁离子（Fe3+/Fe2+）和铬离子（Cr3+/Cr2+）作为正、负极氧化还原电对，硫酸作为支持电解质，电池电压为1.18V。铁铬液流电池的优势在于可运行的温度区间较大，在20℃-70℃的环境下皆可运行，且电解液原材料资源丰富，价格低廉。但长期研究表明，Cr3+/Cr2+负极电对反应动力学慢、析氢副反应严重的两大弱点难以完全克服，随着运行时间的增加，由于正、负极电解质溶液中铁离子和铬离子的微量互串，容易引起正、负极电解质溶液中活性离子交叉污染，造成储能容量的衰减问题；另一方面，由于Cr3+/Cr2+负极反应动力学慢，铁铬液流电池通常需在较高温度下才能获得较好的性能，然而，铁铬液流电池尤其是铁铬液流电池电堆在高、低温交错环境下容易发生热胀冷缩，导致电池或电堆容易出现漏液的问题，上述问题的存在限制了铁铬液流电池的实际应用。 铁铬液流电池 类型名称类型说明 3. 相较于锂资源，中国钒矿储量丰富，为应用广泛的全钒液流电池提供充足原料，利于保障国家能源安全。全钒液流电池的初期成本投入较高，储能系统的总价随储能时长的增长而降低，未来长时储能经过充分发展，液流电池的成本问题可适当缓解。2018年至2021年，全球及中国液流电池装机规模持续上涨，增速加快，液流电池市场增长空间巨大。 当前在液流电池中应用最广的全钒液流电池原料钒矿资源储量丰富。 全球锂资源主要分布在智利、阿根廷、美国等９个国家，其中智利锂矿储量占据全球储量的41％，澳大利亚锂矿储量占据全球储量的2原料资源5％，中国锂矿储量仅占全球储量的7％，人均锂资源不足，同时新能源汽车行业的蓬勃发展带动上游锂离子电池需求激增，锂资源供应 丰富日趋紧张。相较锂矿储量，根据美国地质勘探局统计，截至2021年末，全球钒金属储量超过6,300万吨，其中符合当前采掘和生产要求的部分约为2,417万吨，中国占比39.3%，储量达950万吨，居世界第一。2021年中国钒产品总产量为73,514吨（折金属钒），全球占比63.6%，充足的钒矿资源可为国家能源安全提供重要保障。 全钒液流电池的初期成本投入较高，储能系统的总价随储能时长的增长而降低。 根据已披露的液流电池电站中标项目投资金额来看，全钒液流电池电站的初期投资成本约为锂离子电池电站的2-3倍，高昂的初装成本是初装成本全钒液流电池建设规模扩张的最大制约因素。根据专家测算，当储能时长为1小时，包含电解液的液流电池储能系统总价格为7,500元/kW较高h；当储能时长为4小时，储能系统总价格为3,000元/kWh；当储能时长达8小时，储能系统总价格降至2,250元/kWh。由于全钒液流电池的输出功率和储能容量可以相互独立，储能系统的成本随储能时间的增长而摊薄，液流电池的初期投资成本最高。鉴于当前液流电池供给配 套尚不成熟，产能规模偏小，降本效率远不及锂离子电池。未来长时储能经过充分发展，液流电池的成本问题可适当缓解。 全球及中国液流电池装机规模持续上涨，增速加快，液流电池市场增长空间巨大。 市场前景2018年至2021年，全球液流电池累计装机规模持续增长，由79.5MW上涨至152.2MW。中国液流电池累计装机规模由16.1MW上涨至51.6 广阔MW，占全球液流电池装机规模的比重同样水涨船高，尽快中国液流电池产业起步晚于其他国家，近年来商业化进程已迎头赶上。2021 年，中国液流电池装机规模增速达125.3%，远高于同期全球液流电池装机规模增速，原因在于中国逐步建立起较为完善的液流电池产业链，早期签订的多个液流电池装机项目于2021年正式落地投运生产。 液流电池发展历程 4. 液流电池迄今主要经历三个发展阶段：在1884-1985年的萌芽期，液流电池雏形初现，但在安全性、循环性、稳定性上存在诸多问题，美国航空航天局 (NASA)在双液流电池的突破引发各国对液流电池的研究热潮，随后全钒液流电池的概念被提出，全钒液流电池进入起步阶段。在1986-2000年的启动期，澳大利亚新南威尔士大学首次申请了全钒液流电池的专利，中国工程物理研究院建成500W、1kW全钒液流电池样机，全钒电池逐步成为各国液流电池的 主要研发方向。在2001年至今的高速发展期，全钒液流电池开始进入商业化落地阶段，因其永续循环使用的特性成为长时储能领域的重要选择，中国液流电池行业商业化起步较晚，但发展迅猛，目前已在规模上取得全球领先水准。 开始时间：1884结束时间：1985阶段：萌芽期 行业动态：1884年CharlesRenard发明锌氯液态电池。1949年WalterKango发明液态储存电池，并申请了专利，被视为历史上液流电池的首个专利。1949年Juda发明离子交换膜，1955年Grubb发明质子交换膜，并将其作为电堆隔膜，为液流电池技术发展奠定了基础。1971年，日本科学家Ashimura和Miyake首次提出现代液流电池概念。1974年，来自美国航空航天局(NASA)的Thaller提出了一种电化学储能技术，这种新的蓄电池被称作液流电池，同年第一款Fe-Cr双液流电池诞生。1978年，意大利科学家A.Pellegri等人首次提出全钒液流电池的概念。 行业影响/ 阶段特征：此阶段由于液态电池的产生，液流电池雏形初现，但其安全性、循环性、稳定性较差，成本较高。隔膜技术的突破使得电池性能得到较大的改善，为液流电池的发展奠定基础。NASA在双液流电池的突破引领各国对液流电池的研究热潮，但仍无法解决交叉污染带来的稳定性差、寿命低等问题，随后人们发现钒系化合物因其具有丰富的价态、较高的安全性适合用于液流电池，全钒液流电池的概念也随之提出，全钒液流电池进入起步阶段。 开始时间：1986结束时间：2000阶段：启动期 行业动态：1986年澳大利亚新南威尔士大学首次申请了全钒液流电池的专利，此后陆续将钒电池应用于太阳能屋、高尔夫车和潜艇上的备用电源。日本于20世纪90年代积极进行全钒电池的研发，住友等企业研发出了当时全球最大规模的450kW的全钒液流电池储能示范系统。中国于20世纪80年代后期开始对全钒液流电池的研究，1995年中国工程物理研究院建成500W、1kW全钒液流电池样机，并取得全钒液流电池的相关专利。 行业影响/ 阶段特征：锌溴液流电池和全钒液流电池成为当时液流电池的主流技术路线，但锌溴液流电池毒性强、易挥发，对性能影响较大，而全钒电池虽能量密度低，但其他方面表现优异，更具商业化价值，因此全钒电池成为各国液流电池的主要研发方向。 开始时间：2001阶段：高速发展期 行业动态：中国液流电池商业化起步较晚，2008年由中国科学院大连化学物理研究所与大连博融控股集团共建的融科储能成立，2009年北京普能收购VRB公司，2015年攀钢集团参与研发的千瓦级电池产品量产，2021年国家发展和改革委员会、国家能源局发布政策推动液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期，中国液流电池装机规模持续增长。在2021年的联合国气候变化公约第26次缔约方大会(COP26)上，全球长时储能理事会成立，反映了长时储能在全球能源系统脱碳中的重要作用。2022年11月，中国全钒液流电池龙头企业大连融科储能集团股份有限公司发布首次公开发行股票并上市辅导备案报告，正式开启冲击IPO之路。 行业影响/ 阶段特征：全钒液流电池开始进入商业化落地阶段，因其永续循环使用的特性成为长时储能领域的重要选择。全钒液流电池早期的研发与应用以美国、日本企业为主，中国商业化起步较晚，但发展迅猛，目前已在全钒液流电池领域取得全球领先地位。 5.液流电池产业链分析 中国液流电池产业链上游包括电池电堆与电解液的制造，电堆与电解液在电池系统中的占比分别为35%与40%，是液流电池成本构成的主要部分，当前液流电池尚