目前,锂离子电池是市面上最常见的储能技术,被广泛应用于动力电池储能。由于其功率和容量耦合,成本将随着时长的增加成倍增长,所以它不适合做长时储能。
众所周知,锂离子电池有三大硬伤:缺乏安全性、不耐寒、成本太高。那么有没有一项电池储能技术,既能够保留锂离子储能电池的优势,又能克服这三大硬伤?
还真有,“液流电池”或许才是可再生能源的最佳选择。
液流电池的电解液储存在电堆外部的储液罐中,通过泵输送到电堆内部,在电极处进行氧化还原反应,反应后的活性物质随着电解液流回外部储液罐。液流电池主要利用正负极两侧溶液中活性物质氧化还原状态的改变,来实现充放电。在中大型储能项目建设中,液流电池具有无可比拟的优势,且可运用于多场景。
液流电池是一种活性物质存在于液态电解质中的电池技术，电解液在电堆外部，在循环泵的推动下流经电堆，实现化学能与电能的转换。国际上液流电池主要有全钒液流电池、锌溴电池、铁铬电池、多硫化钠溴电池4种技术路线。
其中全钒液流电池目前产业链建设和技术成熟度相对较高。与锂电在储能应用中的逻辑不同，液流电池主要是由于其可扩展性，可突破锂离子电池在电力系统中在储能时长方面的限制，用于长时储能，因此在电力系统中具有一定的发展空间。在看本文前欢迎加入液流电池产业微信群：
技术原理
全钒液流电池是目前技术成熟度最高的液流电池技术
全钒液流电池是液流电池中唯一一种活性物质单一的电池，它利用钒离子化合价的变化来实现电能与化学能之间的转化。
全钒液流电池通过电解液中不同价态钒离子的电化学反应，实现电能与化学能的转变完成充电与放电。
全钒液流电池系统由功率单元（电堆），能量单元（电解液和电解液储罐），电解液输送单元（管路、阀、泵、传感器等辅助部件）以及电池管理系统等组成。其中，电堆由离子交换膜、电极、双极板、电极框、密封等材料构成。
全钒液流电池将具有不同价态的钒离子溶液作为正极和负极的活性物质，分别储存在正负极的电解液储罐中。充放电时，在泵的作用下，电解液由电解液储罐分别循环流经电池的正极室和负极室，在电极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电。
上游资源
上游主要涉及钒资源的开采与冶炼。我国钒资源主要以钒钛磁铁矿和含钒石煤两种形式存在，其中石煤矿中钒的品味较低且提钒过程中污染较为严重，整体生产成本高于钢渣提钒，目前国内绝大多数钒产品来源于钒钛磁铁矿经钢铁冶炼得到的富钒钢渣（2020 年占比超过 85%）。
湿法提钒工艺流程图 图源：安信证券
2020年五氧化二钒产量构成 图源：安信证券
国内钒钛磁铁矿储量主要集中分布在四川攀枝花、西昌地区和河北承德地区，其中四川攀西地区已探明钒钛磁铁矿储量在100亿吨以上，为世界第一大钒资源及钒系产品产区，河北承德地区已探明钒钛磁铁矿储量则超过80亿吨。
中国钒矿产业链分布图图源：安信证券
从产能情况来看，攀钢钒钛目前具备超过4万吨钒制品产能（以五氧化二钒计），河钢股份钒制品产能则为2.2万吨左右，两者合计占据近一半的国内市场份额，此外建龙、成渝钒钛、四川德胜亦具备万吨以上的钒制品产能，整体来看国内钒资源储量与产能相对集中。
中游制造集成
能量单元：电解液、储罐、
功率单元：离子传导膜、双极板、电极
配套系统：泵阀、管路、BMS
电解液代表企业：攀钢钒钛、川威集团、大连博融、湖南银峰
电堆代表企业：上海电气、北京普能、大力电工、国润储能
钒液流电池：住友电工（日本）、北京普能、上海电气、大连融科、伟力得、国网英大，国润储能
现阶段全钒液流电池厂商一体化程度较高，产业链生态初步建立。整体来看当前全钒液流电池储能仍处于商业化运营初期。
中游核心技术：电解液
1.电解液是全钒液流电池中的核心材料，直接影响能量单元的性能与成本。
作为电能的存储介质，电解液的体积和浓度决定了全钒液流电池储能系统能够储存的最大能量，理论上储存1kWh的电能需要5.6kg五氧化二钒，但目前电解液的实际利用率仅能做到70%左右（即储存1kWh电能需要大约8kg五氧化二钒）。
因此，提升电解液的利用率是降低全钒液流电池成本的重要途径。此外，电解液的纯度（一般需达到99.9%以上）、稳定性、适用温度范围等因素也将对全钒液流电池的运行效率和寿命造成较大影响。
2.电解液的开发和制备能力是全钒液流电池厂商重要的核心竞争力之一。
一方面，电解液在制备过程中对杂质、价态的控制要求较高，如何在低成本的情况下实现高纯度需要长期的工艺积累，目前钒电解液制备方法主要包括物理溶解法、化学还原法以及电解法三大类，其中规模化制备主要采用电解法。
另一方面，为提升电解液的能量密度、电化学活性与热稳定性，通常需要在电解液中加入一定的添加剂（包括混酸、无机盐、有机物等多种体系），电解液的配方调配亦需要深厚的研发积累。
因此，整体来看全钒液流电池电解液的开发和制备具有较高的壁垒，目前国内只有大连融科储能集团股份有限公司、河钢等少数企业具备批量化的生产能力。
下游应用
风/光/传统电站、电网公司、大型工商业
考虑到当前国内储能最重要的驱动因素为新能源发电侧的强制配套要求，且全钒液流电池自身的初始投资成本相对较高，预计短期内全钒液流电池储能项目的投资将主要由大型发电企业或电网企业主导。
目前大唐、国家电投、中广核等大型电力集团已经启动了 百 MWh 级别的全钒液流电池储能项目建设，华电、国网江苏等亦在进行示范性项目的尝试， 经过前期项目的验证，未来全钒液流电池有望成为大型电力集团重点布局的一类储能形式。
产业链全景图
全钒液流电池产业链
未来展望
全钒液流电池储能在大型工商业用户侧场景中亦有广阔的发展空间。无论是从保障供电稳定性还是降低综合用电成本的角度出发，工商业用户配置储能的需求已较为迫切。
与此同时，与盈利模式尚未完全建立的国内发电侧/电网侧储能市场相比，用户侧储能的市场化程度相对较高，全钒液流电池有望凭借全生命周期内的成本优势获取部分大工业用户的青睐
随着技术的成熟以及下游需求的启动，全钒液流电池行业正快速由原先的小范围、实验室发展阶段进入规模化、产业化的发展阶段， 近期国内大量全钒液流电池厂商通过融资、合资、签订战略合作协议等方式积极扩充自身实力并扩张产能，产业化进程较此前明显加快。
原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：结构与燃料电池类似，全钒液流电池产业链详解
