文｜經(jīng)緯創(chuàng)投

隨著光伏與風(fēng)電的并網(wǎng)量越來越大，儲(chǔ)能也變得迫在眉睫。在并網(wǎng)量還比較小的時(shí)候，依賴1-4小時(shí)持續(xù)供電的磷酸鐵鋰電池，就可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷，但如果并網(wǎng)量繼續(xù)增長，我們會(huì)不會(huì)急需超過4小時(shí)供電的新技術(shù)呢？

如果我們極限思考，假設(shè)某個(gè)地區(qū)100%的電力來自于太陽能，但一天的光照時(shí)間一般只有8小時(shí)，那就意味著另外16小時(shí)的供電需求，需要全部依賴電池。如果電池的供電時(shí)長只有4小時(shí)，那么另外12小時(shí)就只能停電了。風(fēng)電這種間歇性能源也類似。

當(dāng)然，現(xiàn)在我們不可能100%依賴于太陽能或風(fēng)能。但碳中和、改善能源結(jié)構(gòu)的大目標(biāo)存在，光伏、風(fēng)電等清潔能源的占比在快速提升，長時(shí)儲(chǔ)能的概念應(yīng)運(yùn)而生。

簡單來說，長時(shí)儲(chǔ)能就是指大于4小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)天、數(shù)月充放電循環(huán)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。而液流電池，基于特殊的構(gòu)造與工作原理，被視為最適合長時(shí)儲(chǔ)能的電池技術(shù)之一。

液流電池（又名氧化還原電池）的技術(shù)原理，完全不同于鋰電池等一般的離子蓄電池，液流電池是把能量儲(chǔ)存在電解液里面，而不是一般鋰電池、鉛蓄電池的固體正負(fù)極。并且，液流電池的正、負(fù)極都是液體的，完全獨(dú)立分離放置在堆棧外部，通過兩個(gè)循環(huán)動(dòng)力泵，將正、負(fù)極電解液通過管道泵入液流電池堆棧中，并持續(xù)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。

液流電池的優(yōu)缺點(diǎn)非常明顯，它的優(yōu)點(diǎn)是安全性高，可以靈活擴(kuò)容，循環(huán)壽命也非常長，電解液可循環(huán)利用。但缺點(diǎn)是能量密度低，初裝成本還比較高。但對于長時(shí)儲(chǔ)能的場景來說，這些缺點(diǎn)不算很難克服的問題，而這些優(yōu)點(diǎn)則非常寶貴。

在液流電池方面，經(jīng)緯創(chuàng)投參與了中海儲(chǔ)能科技PreA+輪融資，而中海儲(chǔ)能科技累計(jì)融資了數(shù)億元人民幣。我們認(rèn)為液流電池市場規(guī)模足夠大，各種技術(shù)路線未來都會(huì)有機(jī)會(huì)，占據(jù)一定的市場空間，我們正在非常積極地跟各類液流電池公司交流，也正在布局整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。下面我們就來分析液流電池的應(yīng)用場景、優(yōu)缺點(diǎn)，以及全釩、鐵鉻等技術(shù)路徑的不同側(cè)重，以下：

• 應(yīng)用于長時(shí)儲(chǔ)能的特別技術(shù)
• 液流電池多條技術(shù)路線哪家強(qiáng)？

1、應(yīng)用于長時(shí)儲(chǔ)能的特別技術(shù)

為什么長時(shí)儲(chǔ)能需要嘗試別的技術(shù)？原來的鋰電池不可以嗎？

如果應(yīng)用于長時(shí)儲(chǔ)能，鋰電池確實(shí)有其局限性。其中最突出的問題就是安全性和循環(huán)壽命。因?yàn)橐朐黾觾?chǔ)電的容量，鋰電池就必須增加鋰的含量。但鋰是一種比較“暴躁”的金屬，隨著含量的提升，安全性風(fēng)險(xiǎn)就越大。

例如在2021年4月16日中午，北京集美大紅門25MWh直流光儲(chǔ)充一體化電站發(fā)生火災(zāi)，隨后電站北區(qū)在毫無征兆的情況下突發(fā)爆炸，導(dǎo)致2名消防員犧牲，1名消防員受傷。此次事故過程符合鋰離子電池發(fā)生熱失控的典型特征。

特斯拉的Megapack儲(chǔ)能單元也發(fā)生過類似的事故。2021年7月30日，澳大利亞一個(gè)裝載有13噸鋰離子電池的特斯拉Megapack電池組發(fā)生火災(zāi)，約有150名消防人員正在現(xiàn)場努力控制火勢蔓延至其他電池組。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在2022年上半年全球就新增了10多起鋰電池儲(chǔ)能電站事故，其中約有80%采用的是三元鋰離子電池，其次是磷酸鐵鋰電池。于是，國家能源局在2022年6月發(fā)布了新的規(guī)定，對電化學(xué)儲(chǔ)能電站的選址和布局做了明確要求，其中明確將三元鋰電、鈉硫電池踢出了中大型電化學(xué)儲(chǔ)能的可選方案，對動(dòng)力電池梯次利用態(tài)度是“不宜選用”。

所以對于長時(shí)儲(chǔ)能來說，通過增加鋰含量來增大儲(chǔ)電容量是很難的。并且鋰電池還有另一個(gè)缺陷，就是循環(huán)壽命不夠長。

從技術(shù)原理上來看，鋰電池的能量主要靠金屬鋰來存儲(chǔ)，每次充放電時(shí)，通過鋰離子的反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，但在這個(gè)過程中，會(huì)有一小部分鋰生成固體物質(zhì)，也就是“析鋰”，久而久之鋰在變少，儲(chǔ)電容量也就下降了。

一般鋰離子儲(chǔ)能電池，充放電的循環(huán)次數(shù)在5000次左右，也就是如果每天滿充滿放一次，可以用14年左右。這對于電動(dòng)車的動(dòng)力電池來說足夠了，但對于儲(chǔ)能電站來說并不夠用，儲(chǔ)能電站一般的壽命都是在20年以上，像最傳統(tǒng)的抽水蓄能電站都是按照30-70年壽命去設(shè)計(jì)。

特別是對于長時(shí)儲(chǔ)能來說，還需要考慮鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中電芯一致性的問題，那么系統(tǒng)層面的循環(huán)壽命往往更低，此外鋰電池的可用容量也會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而明顯下降。

液流電池能夠很好地解決這些問題。

首先，液流電池非常安全。與一般的固態(tài)電池不同，液流電池的正極和負(fù)極，是以電解質(zhì)溶液的形式儲(chǔ)存于電池外部的儲(chǔ)罐中，通過正、負(fù)極電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化。

簡單來說，就是液流電池的正、負(fù)極電解液，才是用來儲(chǔ)存能量的，由于電解液里面是水，沒有有機(jī)溶劑，所以不會(huì)起火爆炸。

并且液流電池不會(huì)有熱量的堆積。鋰電池之所以不安全，很多時(shí)候是因?yàn)殇囯姵禺a(chǎn)生的熱量無法散出，但液流電池的熱量可以很容易隨著電解液，從電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移到外部去。所以液流電池?zé)o論是BMS，還是一些額外的消防措施，都可以比鋰電池低一個(gè)等級，不用太麻煩。

第二，液流電池的循環(huán)壽命非常長。由于液流電池中的電極不參與反應(yīng)，屬于惰性電極，電極和雙極板等材料穩(wěn)定性好，不涉及更換問題。同時(shí)反應(yīng)過程不涉及相變，所以循環(huán)壽命可達(dá)1.5萬-2萬次，例如對于全釩液流電池來說，釩在電解液中僅發(fā)生價(jià)態(tài)變化，基本可以完全回收，且生命周期中容量衰減后可完全恢復(fù)。

第三，是靈活性。由于液流電池的功率單元與能量單元相互獨(dú)立，這就意味著可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景，來靈活設(shè)計(jì)系統(tǒng)功率與儲(chǔ)能時(shí)長。

一套完整的液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要是由功率單元（電堆）、能量單元（電解液和電解液儲(chǔ)罐）、電解液輸送單元（管路、泵閥、傳感器等）、電池管理系統(tǒng)等部分組成，其中功率單元決定系統(tǒng)功率的大小，而能量單元決定系統(tǒng)儲(chǔ)能容量的大小，兩者相互獨(dú)立。

所以液流電池的功率只取決于電堆大小，容量只取決于電解液儲(chǔ)量和濃度，這意味著可以靈活設(shè)計(jì)。當(dāng)需要增大儲(chǔ)電容量時(shí)，只需要增大電解液儲(chǔ)罐容積，或提高電解液濃度即可；如果想增大功率，只需要增加電堆功率或是增加電堆數(shù)量即可，適應(yīng)性很強(qiáng)。

當(dāng)然，由于液流電池的缺點(diǎn)在于能量密度小，所以液流電池的儲(chǔ)能電站一般都會(huì)占地面積偏大，選址一般在空曠的郊區(qū)。但由于安全、散熱性好，所以可以建得緊湊一些。畢竟相比于能量密度，電站的循環(huán)壽命、供電時(shí)長更加重要。

如今，液流電池的單次供電時(shí)長能到4小時(shí)以上，有的甚至能到10小時(shí)以上。這樣的時(shí)長對于未來大量使用新能源的電網(wǎng)來說，非常合適。

從應(yīng)用場景的角度來看，液流電池主要用在兩大方向上：一是新能源大型電站配儲(chǔ)。從2021年開始，很多地方政府都開始有硬性要求，風(fēng)光電站必須要配置10%-20%的儲(chǔ)能設(shè)施，并且供電時(shí)長要在4小時(shí)以上。一般風(fēng)電或是光伏電站，設(shè)計(jì)壽命都是在25年左右，液流電池的使用壽命正好也比較契合。

二是電網(wǎng)側(cè)的大型共享儲(chǔ)能電站或者調(diào)峰電站，類似于抽水蓄能這樣的獨(dú)立儲(chǔ)能電站。因?yàn)橐毫麟姵丶夹g(shù)壽命長，30年沒有問題，殘值高，維護(hù)成本低，很多特性其實(shí)與抽水蓄能接近，所以中期來看可以作為抽水蓄能的補(bǔ)充。

當(dāng)然，由于動(dòng)力電池對鋰電池的拉動(dòng)作用，目前新增的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施中大部分還是磷酸鐵鋰電池。液流電池還未大面積鋪開，所以目前前期投入成本還比較高，但我們看一項(xiàng)技術(shù)的前景需要把眼光放長遠(yuǎn)，特別是那些能通過規(guī)模效應(yīng)來降低的成本。

2、液流電池多條技術(shù)路線哪家強(qiáng)？

目前液流電池主要有全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池等20多種技術(shù)路線，目前全釩和鐵鉻技術(shù)路線討論較多。

這里技術(shù)路線的不同，主要是指電解質(zhì)溶液主要成分的不同。全釩是相對成熟、項(xiàng)目最多的技術(shù)路線，全釩液流電池是一種以金屬釩離子為活性物質(zhì)的液態(tài)氧化還原電池，以+4、+5 價(jià)態(tài)的釩離子溶液作為正極的活性物質(zhì)，以+2、+3 價(jià)態(tài)的釩離子溶液作為負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自的電解液儲(chǔ)罐中。在對電池進(jìn)行充、放電時(shí)，正負(fù)極電解液在離子交換膜兩側(cè)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。

第二種是以鋅基為代表的技術(shù)路線，即把鋅金屬作為電解液中的一種，組成像鋅溴、鋅鐵、鋅錳等鋅基的液流電池。為什么選用鋅基？主要是因?yàn)殇\的氧化還原性比較好，并且鋅這種元素也容易獲得。

第三種是鐵基的，比如像鐵鉻，還有全鐵等等，鐵的電化學(xué)活性比較好，并且儲(chǔ)量非常豐富，所以鐵鉻液流電池也是比較有潛力的一種。

為什么會(huì)出現(xiàn)這么多不同的技術(shù)路線？主要還是因?yàn)閮?chǔ)能對成本非常敏感，全釩雖然是其中最為成熟、項(xiàng)目最多的技術(shù)路線，但它一直有一個(gè)很核心的問題，釩的成本非常高，并且產(chǎn)能有限。

從資源的第一性原理上，全釩就存在一定的問題。中國的五氧化二釩產(chǎn)能在十幾萬噸，其中90%應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)。而1GWh的全釩液流電池，對應(yīng)需要0.8萬-1萬噸的五氧化二釩，在目前的釩供應(yīng)體系下，如果每年全釩液流電池快速上量，釩價(jià)必然暴增，并且產(chǎn)能嚴(yán)重跟不上，同時(shí)也有資源開采能力的問題。

此時(shí)就導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)界去尋找更便宜和易得的金屬元素，來作為液流電池的電解質(zhì)。

無論是全釩還是鋅基、鐵基，在技術(shù)原理上都大同小異，都是通過金屬的得到、失去電子，來實(shí)現(xiàn)充電放電。

但有的會(huì)出現(xiàn)沉積效應(yīng)而導(dǎo)致壽命不足。比如鋅基液流電池比較突出的問題就是壽命短，鋅元素在充放電時(shí)，會(huì)發(fā)生鋅單質(zhì)跟鋅離子之間的轉(zhuǎn)換，鋅沉積與溶解生成枝晶，而枝晶會(huì)刺破隔膜，導(dǎo)致電池的壽命比較短。而全釩液流電池不會(huì)出現(xiàn)這種固態(tài)析出問題。

此外雖然鋅溴液流電池的優(yōu)點(diǎn)是能量密度較高，但液溴的揮發(fā)性、高毒性、強(qiáng)腐蝕性和易滲透性，也都導(dǎo)致電池在實(shí)際容量、循環(huán)壽命和安全性方面大打折扣。所以國內(nèi)最近這幾年，對鋅溴液流電池的研究和市場化都已經(jīng)不太活躍了。

最近市場上越來越熱的是鐵基液流電池，它主要是鐵的二價(jià)、三價(jià)之間轉(zhuǎn)換。鐵基最大的優(yōu)勢，就在于便宜，因?yàn)闊o論是鐵還是鉻，都在地球中大量存在。

但鐵基也有自己的問題，就是它的電化學(xué)活性比較差，所以功率密度弱一些。這也就意味著相同的功率密度，比如都是5000瓦的電堆，全釩可能只需要鐵基電池的1/2-1/3 大即可，這樣電堆部分的成本就低。同時(shí)，鐵基的能量效率比較低，相比于全釩要低10%左右。

鐵鉻液流電池有著波折的發(fā)展歷史。它最早由美國國家航空航天局（NASA）于1974年提出，后來在20世紀(jì)80年代，NASA將鐵鉻液流電池作為“moon project”的一部分，轉(zhuǎn)讓給日本。日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）隨后于1984年和1986年推出了10KW和60KW的鐵鉻液流電池系統(tǒng)原型樣機(jī)。同期中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在1992年成功開發(fā)出270 W的小型鐵鉻液流電池電堆。

但是，由于鐵鉻液流電池的關(guān)鍵問題——陰極析氫與電解液離子互混，長期得不到解決，研究也一度止步，行業(yè)研究熱點(diǎn)也轉(zhuǎn)向了全釩液流電池。此后很長一段時(shí)間內(nèi)，鐵鉻液流電池一度被認(rèn)為是已經(jīng)淘汰的技術(shù)。

直到國家電投集團(tuán)再次將其拉回人們的視野，他們采用鐵、鉻離子混合溶液作為電解液，應(yīng)對正負(fù)極鐵鉻離子互串問題；通過電極催化劑負(fù)載，應(yīng)對負(fù)極在充電時(shí)的析氫問題；通過在電池中設(shè)計(jì)安裝再平衡系統(tǒng)，有效解決了電池容量衰減問題，極大提高了鐵鉻液流電池的實(shí)際使用壽命。

如今也有頭部創(chuàng)業(yè)公司，針對鐵鉻液流電池的傳統(tǒng)問題，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破。例如對于析氫問題，中海儲(chǔ)能就基于自由基的量子點(diǎn)沉積技術(shù)，大幅度提高電極表面的催化劑沉積水平，使催化劑實(shí)現(xiàn)的納米沉積，大幅降低了潛在的析氫反應(yīng)。

這些技術(shù)迭代，保證了鐵鉻液流電池在享受低成本的同時(shí)，不至于綜合性能被削弱。

如果進(jìn)行成本測算，針對100MW / 400MWH，25年循環(huán)壽命周期測算，一天一充一放，鐵鉻液流電池最為便宜，初裝成本在7億左右，年后續(xù)維修成本約千分之三，LCOE（平準(zhǔn)化度電成本）差不多在0.2水平。而鋰電池受制于5000次循環(huán)壽命，25年間最少應(yīng)更換一次電芯，而電芯成本占總成本60%，所以LCOE將會(huì)在0.3左右。全釩液流電池因?yàn)殁C元素比較貴，會(huì)顯著高于鐵鉻，并且略高于鋰電池。全釩還有一個(gè)不確定因素是，五氧化二釩的價(jià)格是否會(huì)因產(chǎn)能不足而飆升。

所以綜合來看，鐵鉻液流電池在解決了傳統(tǒng)的析氫、反應(yīng)活性等問題之后，是一項(xiàng)非常有潛力的技術(shù)路線。

近年來，液流電池的落地項(xiàng)目也在快速增多。2022年5月，在遼寧大連，一座大型全礬液流電池儲(chǔ)能電站的一期工程，成功并網(wǎng)投運(yùn)。這座電站目前是全球最大的液流電池儲(chǔ)能電站，儲(chǔ)電規(guī)模達(dá)到800兆瓦時(shí)，這相當(dāng)于4000個(gè)家庭一個(gè)月的用電量。2022年2月，國家電投的“容和一號”鐵鉻液流電池的第一條量產(chǎn)產(chǎn)線投產(chǎn)。

這些落地項(xiàng)目的實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)，將給液流電池帶來更加真實(shí)的發(fā)展路線圖。

目前儲(chǔ)能業(yè)界存在幾大共識(shí)，一是鋰電產(chǎn)業(yè)鏈還是最成熟的，也是綜合性價(jià)比最高的，所以今年下半年新上的儲(chǔ)能項(xiàng)目中，鋰電還是會(huì)占到85%以上，但對于其他長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)，誰越快接近鋰電的價(jià)格，誰就會(huì)越快得到市場關(guān)注。

二是在新能源占比達(dá)到15-20%之后，4小時(shí)以上的長時(shí)儲(chǔ)能需求成為剛需。目前在西北等風(fēng)光電占比高的地方，4小時(shí)已經(jīng)成為真實(shí)需求。美國在加州等光伏占比高的地區(qū)，已經(jīng)在上6-8小時(shí)的儲(chǔ)能，來進(jìn)行調(diào)峰。而能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)、大容量儲(chǔ)能的3個(gè)主要方向，就是抽水蓄能、空氣壓縮、液流電池，其中液流電池是唯一比較適合大規(guī)模發(fā)展的技術(shù)，并且在交換膜、電堆、電解液等關(guān)鍵設(shè)備上，基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。

三是隨著儲(chǔ)能場景的多元化，會(huì)有不同技術(shù)的并存。長期來看，隨著新能源逐步成為電力系統(tǒng)的主體，儲(chǔ)能的應(yīng)用場景也會(huì)有很多，功率范圍將涵蓋kW級的用戶側(cè)場景，到GW級的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)場景，儲(chǔ)能時(shí)長則從秒級、分鐘級、小時(shí)級到跨日、跨季不等?？紤]到不同場景的儲(chǔ)能需求有很大差距，未來會(huì)有多種儲(chǔ)能技術(shù)并存，共同支撐電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

麥肯錫在2021年底預(yù)測，長時(shí)儲(chǔ)能的潛在市場空間將從2025年開始大規(guī)模增長，主要是因?yàn)殡S著可再生能源占比提升，2025年長時(shí)儲(chǔ)能全球累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)到30-40 GW（對應(yīng)儲(chǔ)能容量約1TWh），累計(jì)投資額約500億美元。

液流電池作為有短板，但長板足夠長的技術(shù)路線，將趕上新能源賽道的爆發(fā)期，在長時(shí)儲(chǔ)能方面對鋰電形成挑戰(zhàn)。

References：

國泰君安：儲(chǔ)能行業(yè)全鐵體系為液流電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新希望

國泰君安：鐵鉻液流電池儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)向前邁進(jìn)，源廣流長，“鉻”顯神通

中泰證券：全釩液流電池兼顧全周期成本與安全，有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域快速增長

安信證券：全釩液流電池儲(chǔ)能專題，海闊天空，不同“釩”響

開源證券：液流電池前景廣闊，鐵鉻方案或成為主流路線之一

西部證券：鐵鉻液流電池行業(yè)專題報(bào)告，鷹擊長空，“鉻”有不同

光大證券：安全穩(wěn)定、壽命長，釩電池長時(shí)儲(chǔ)能空間廣闊