中和储能将携新品32kW电堆、非氟离子交换膜等产品亮相8月世界电池产业博览会

液流电池基础简介

迄今为止，人们已经开发了众多新型液流电池体系，其中以全钒液流电池(vanadium flow battery, VFB)的技术最为成熟，而应用于兆瓦以上大规模工程化级别的储能电站主要采用的也是全钒液流电池储能技术。

与传统二次电池相比，全钒液流电池最大的不同在于其独特的结构设计：全钒液流电池的正负极活性物质电解液被储存在电池外部的储罐之内，利用循环泵经管道输送至电堆内部电极处发生氧化还原反应（不同钒离子价态转变）从而实现充放电。得益于这一独特结构，通过改变电堆大小或者电解液用量，电池的输出功率和储能容量可以做到独立设计，这是锂电池等传统二次电池难以实现的。

此外，高安全性和超长使用寿命，成为全钒液流电池的优势。全液态下电解液只有价态变化，不涉及物相变化，避免了相变及枝晶生长带来的隔膜刺穿问题，同时水系电解液减少了电池着火爆炸风险。众所周知，由电池短路自燃引起的电力生产事故是储能电站发展过程中的痛难点。随着储能电站建设规模的不断扩大，对其安全性能要求也变得更为严格。2022年7月1日，国家能源局发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》明确提出中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池，这一政策导向间接的选择了液流电池，也直接导致当日多支股票的涨停。其实早在2022年3月21日，十四五新型储能发展实施方案就将百兆瓦级液流电池技术纳入“十四五”新型储能核心技术装备攻关重点方向之一。目前液流电池，尤其是全钒液流电池，当之无愧地站在了国家发展储能技术的风口上。

液流电池的关键材料

液流电池主要由电解液和电堆两大部分组成，电堆又包括电极、离子交换膜、双极板、集流板、端板等部分。电解液既是电池反应的活性物质，又是离子传输的载体。离子交换膜则将正负电解液隔开，同时为正、负极电解液传递电流载体。电极则为电池的电化学反应提供场所。目前全钒液流电池的研究热点主要集中在寻找高性能、低成本的电极材料，开发成本低、选择性高和寿命长的离子交换膜，以及制备浓度高、离子传输能力强和稳定性好的电解液等方面。

液流电池电堆的结构示意图

钒离子电解液是全钒液流电池的储能介质，其制备方法主要分为化学制备法与电解制备法，目前公开的制备方法以纯电解方法或者化学法和电解法相结合为主。

电解液的物理化学性质（电导率、电解液密度、黏度、钒离子浓度、pH值），杂质含量与种类，工作温度等直接影响着电池的反应活性、效率及寿命。具体来说，电解液的电导率直接影响全钒液流电池的离子传输速率，影响电池内阻。电解液黏度越大，在相同操作条件下，全钒液流电池电解液的流量也越低，电解液循环泵的功耗越大。当硫酸根浓度一定时，钒离子浓度越高，电解液电导率越低、黏度越大。此外，电解液的电导率随温度的升高而增加，黏度随温度的升高而降低。

目前钒电解液的成本过高，超过整个全钒液流电池储能系统成本的一半以上，开发低成本规模生产技术是解决全钒液流电池全面商业化的关键路线。同时，二价钒易被空气氧化，高温下正极电解液中五价钒存在析出风险，保证二价钒（V²⁺）空气稳定以及五价钒（V⁵⁺）高温稳定，也是全钒液流电池储能系统能否长期稳定运行的关键因素，在这一方面，选择合适的电解液添加剂可以起到稳定剂的作用。此外，电解液本身组分及浓度的优化，也是提高电解液整体性能的一个重要方法。

离子交换膜主要用于隔开正负极电解液以及保持离子浓度平衡，是电堆的核心部件。按照在膜内交换传导的离子荷电状态可以分为阳离子交换膜和阴离子交换膜，按照氟化程度又可以分为全氟磺酸离子交换膜、部分氟化离子交换膜和非氟离子交换膜。

离子交换膜不仅要能隔离活性物质和导通离子，同时也要能够在极度苛刻的条件下（强酸，强氧化性，高电位，大电流）稳定运行。因此，一款高性能离子交换膜应该具有优异的离子选择性（阻钒，防止活性物质互串）、高的导电离子传输能力、优异的电化学稳定性和机械强度以及低廉的成本。

目前，商业领域广泛采用的是以杜邦公司生产的Nafion膜为代表的全氟磺酸离子交换膜。以Nafion115膜为例，其在全钒液流电池中表现出优良的离子传导能力和化学稳定性，但其离子选择性较差且价格昂贵，严重限制了全钒液流电池的商业化。因此，研发的重点在于开发出高离子选择性、高耐久性、低成本的离子交换膜。

Nafion和SPEEK膜的微观结构和特性

电极是全钒液流电池发生电化学反应的场所，是电堆的另一核心部件，其性能直接影响电化学反应速率、电池内阻以及电解液扩散，最终影响电池的能量效率等综合性能。电极材料按类型可划分为金属类电极和碳素类电极两大类。

金属材料以其优异的导电性和机械强度最早受研究者们关注，主要包括金（Au）、钛（Ti）、铂（Pt）、氧化铱（IrO₂）等。但偏高的成本限制了其大规模生产，故而研究人员将研究重点转向成本偏低的碳材料。碳素类电极材料主要包括石墨、石墨毡、玻碳 、碳布等。特别是碳毡的价格相对低廉，电化学性能相对较好，能够满足全钒液流电池对电极材料的实际使用要求。

全钒液流电池碳基材料发展历程

碳毡对电池性能的影响因素与电极材料表面官能团种类及数量、碳纤维的表面形貌、电极材料的孔隙率、碳纤维在经纬方向的分布状态及电极材料的导电性等因素相关。

除了上述所说的电解液和电堆之外，与之相匹配的配套系统，如泵阀、管路、电池管理系统（BMS）等，也直接影响着整个储能系统的正常运行。

总结

随着全钒液流电池技术不断更新迭代和原材料国产化、全钒液流电池技术更加成熟、同时成本不断降低，储能行业内普遍认为，全钒液流电池已经达到商业化开发条件。考虑到目前全钒液流电池是最成熟的技术路线，加上国家政策对液流电池发展的鼓励与扶持，全钒液流电池是满足大规模储能产业化要求较为理想的技术，同时其技术性能与成本也已达到可规模化发展的水平。截至目前，诸多大型全钒液流电池储能项目已完成并网并将成为一种趋势。随着研发和投入的深入，全钒液流电池产品性能将会逐步提高。同时，全钒液流电池产品上下游产业链也正在逐步完善，有利于全钒液流电池储能技术产品的质量控制和成本降低。英国IDTechEx公司报告认为，面向储能市场的钒液流电池到2031年前后或将在装机容量上超过锂离子电池。

总而言之，随着技术的积累、产业链的不断完善、政策的支持以及自身优异的性能，全钒液流电池已经走向了储能发展的快车道，产业化进程较此前明显提速，在未来五到十年会得到大面积的推广与应用。

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