全钒液流电池是一种正极和负极均采用循环流动的钒溶液作为储能介质的可以实现充电和放电的电池，通过充电和放电实现电能和化学能的相互转化，进而实现电能的储存和释放。
全钒液流电池的外形与一般的锂离子电池和铅碳电池不同，而是分别由电堆（或单电池）、正极储罐（储存有正极电解液）、负极储罐（储存有负极电解液）、循环泵以及管理系统构成，其中电堆由多个单电池串联而成，每个单电池包括正极、负极、隔膜、正/负极双极板等材料。
一、全钒液流电池储能原理
钒离子有4种价态，全钒液流电池正、负极电解液的储能活性物质都是钒离子，是利用正、负极电解液中钒离子价态的变化来实现电能的储存和释放。
全钒液流电池的电极反应如下：
由于全钒液流电池具有安全性高、储能规模大、充放电循环寿命长、电解液可循环利用、生命周期中性价比高、环境友好等优点，近年越来越受到世界各国的重视，全钒液流电池储能系统的研究开发、工程应用示范不断取得重要进展，发展越来越快，技术越来越成熟，成本越来越低，已进入了产业化推广应用阶段，具有巨大的市场前景。
(a)要增加输出功率，仅需增加电堆的数量
二、全钒液流电池技术特点
1.技术优势
① 全钒液流电池储能系统本征安全，运行可靠，全生命周期环境友好。
① 储能系统由多个子系统组成，系统复杂；
② 为使储能系统在稳定状态下连续工作，储能系统需要包括电解质溶液循环泵、电控设备、通风设备、电解液温控设备等支持设备，并给这些储能系统支持设备提供能量，所以全钒液流电池系统通常不适用于小型储能系统；
③ 受钒离子溶解度等的限制，全钒液流电池的能量密度较低，只适用于对体积、重量要求不高的固定储能电站，而不适合用于移动电源和动力电池。
三、钒液流电池全生命周期成本分析
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储能时长为1 h系统的市场价格为6000元/kW，储能系统的总价格是7500元/kWh；
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当储能时长为4 h的以后，不包括电解液的储能系统价格6000元/kW由4 h分摊，每小时分摊1500元，加上电解液1500元/kWh，储能系统的总价格就是3000元/kWh；
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如果储能时长为8 h，6000元/kW的系统成本则由8 h分摊，每小时分摊750元，加上电解液的价格1500元/kWh，储能系统的总价格为2250元/kWh。
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同样地，对于储能时长为10 h的系统，储能系统的总价格为2100元/kWh。
由于全钒液流电池的电解液可再生循环使用，因此其残值很高。
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对于储能时长为4 h的系统，初次投资成本为3000元/kWh，使用15年以上电池系统报废后，如果电池系统废金属的残值估值为300元/kW，电解液的残值按70%估算为1050元/kWh，这样电池系统的残值为1125元/kWh，实际成本约为1875元/kWh。
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而对于储能时长为10 h的储能系统，初始投资成本为2100元/kWh，使用15年以上电池系统报废后，电池系统废金属等的残值估值为300元/kW，电解液的残值按70%估算为1050元/kWh，这样电池系统的残值为1080元/kWh，实际成本仅为1020元/kWh。
目前研究主流的液流电池为钒电池，其上游原料主要包括五氧化二钒和全氟磺酸膜等；中游是钒电池储能系统的设计与制造，由逆变器、智能控制器、电堆、隔膜、电解液、储罐等部分构成，其中最核心部件是电堆和电解液；下游主要是钒电池的应用，包括风力发电、光伏发电、电网调峰等。
1. 钒矿及钒加工
钒是一种亲石元素，一般以分散状态存在于矿石中，其自然分布特点是：储量大，分布广，含量低。钒钛磁铁矿是最常见的含钒铁矿石，这种矿物遍布全球，是目前最主要的产钒来源，约占全球钒年产量的85%以上，占我国钒年产量的80%以上。
在上游矿产资源方面，全球超过70%以上的钒来自副产炼钢的钒渣。我国液流电池领域的钒矿企业有德泰储能、承德钒钛、寰泰储能、攀钢集团等。
2. 电堆材料制造
钒电池的电堆材料包括：电极、双极板、隔膜、密封件等几种关键材料，其原料多为碳材料以及高分子聚合物材料等，与有机化工产业密切相关。由于各个厂家的选材和工艺不尽相同，电堆材料的成本及性能也存在差异性。此外，现有电堆材料的技术和工艺尚有较大的改进空间，相关研发工作仍在不断进行中。
电极材料的核心用料是碳毡、石墨毡或碳纸。碳毡和石墨毡的制造工艺较成熟，以高分子纤维织物为原料，经过高温碳化处理所得，成本较为低廉。国内主要的石墨毡企业是江油润生石墨毡有限公司、嘉兴纳科新材料有限公司。相比之下，碳纸的厚度比碳毡更薄，具有更低的电阻率，但生产工艺较为复杂。
隔膜材料最初是采用全氟质子交换膜，之后可能转向非氟离子传导膜。全氟质子交换膜最早用于氯碱工业，成功实现产业化，之后又广泛应用于氢燃料电池。相比燃料电池隔膜，钒电池隔膜不仅要求有很高的化学稳定性和机械强度，而且要有较好的离子选择透性。
目前，国内的东岳集团、科润、山西国润等企业已具备自主生产全氟磺酸树脂膜的能力。
另一条路线是采用非氟离子传导膜，即非离子交换性隔膜，该技术是我国自主发展的方向，以中国科学院大连化学物理研究所为代表的科研团队已经取得了重要成果，具有核心知识产权。
全钒液流电堆的装配技术壁垒较高，研发周期较长。全钒液流的电堆装配与氢燃料电堆一致，都以压滤机的方式进行叠合紧固，业内很多优秀的液流电池研发团队都有多年的氢燃料电池电堆研发经验。
一般来说，电堆的功率规模越大，内部材料的工作面积就越大，其叠合装配的工艺难度也就越大。在现行技术框架下，具有大规模全钒液流电堆生产能力的企业数量并不多，而电堆主体结构经过多年发展，很难做大幅改动，因此这些头部企业具有先发优势，并通过不断优化升级，长期保持领先优势。
2024-07-29
4. 控制系统
钒电池储能控制系统包括PCS、BMS、EMS等，所需硬件装置是电力电子行业的基本元件，相关产业都比较成熟，可通过与相关企业合作，定制化生产。电解液输运系统由管路、循环泵、变频器、控制阀件、传感器、换热器等部件构成，这些装置在化工生产领域较为常见，可直接采购相应零件自行加工，或者外包设计。其他设施还包括消防装置、建筑材料等等，占钒电池系统总成本比例较低。
资料来源：
张华民,.全钒液流电池的技术进展、不同储能时长系统的价格分析及展望【J】.储能科学与技术,2022,(09):2772-2780.
王曦,凌黎明,杨俊峰,李博洋,.钒电池储能产业发展现状分析【J】.中国金属通报,2022,(12):156-158.
