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中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：

鐵鉻液流電池：原材料豐富，前景廣闊

鐵鉻電子對(duì)價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換

鐵鉻液流電池是產(chǎn)業(yè)上最早出現(xiàn)的液流電池技術(shù)，利用鐵鉻電對(duì)的價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。鐵鉻電池分別采用 Fe3+/Fe2+電對(duì)和 Cr3+/Cr2+作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，通過(guò)活性金屬的價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換與能量?jī)?chǔ)存。在鐵鉻液流電池中，活性物質(zhì)儲(chǔ)存于電解液中，具有流動(dòng)性，可以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所（電極）與儲(chǔ)能活性物質(zhì)在空間上的分離，電池功率與容量設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，適合大規(guī)模蓄電儲(chǔ)能需求。

鐵鉻電池系統(tǒng)主要由功率單元（單電池、電堆或電堆模塊）、儲(chǔ)能單元（電解液及儲(chǔ)罐）、電解液輸送單元（管路、閥門(mén)、泵、換熱器等）電池管理系統(tǒng)等組成。作為鐵鉻電池的核心部件，功率單元在一定程度上決定了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和建設(shè)成本。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，功率單元可以分為單電池、電堆和大功率模塊等。其中，鐵鉻電池單電池是電堆及系統(tǒng)的基本單元，單電池主要通過(guò)離子傳導(dǎo)膜將正負(fù)極電解液進(jìn)行分離，兩側(cè)分別由電極、液流框、集流體等部件組成的正負(fù)極半電池，然后通過(guò)夾板及緊固件進(jìn)行壓緊而成；電堆又由多個(gè)單－電池通過(guò)疊加形式進(jìn)行緊固而成，每組單電池之間通過(guò)雙極板進(jìn)行連接，具有多個(gè)電解液循環(huán)管道和統(tǒng)一電流輸出的組合體，一定數(shù)量的電堆再組合電解液循環(huán)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及輔助設(shè)備構(gòu)成大功率模塊的基本組成單元。

鉻鐵礦豐富疊加電化學(xué)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，大儲(chǔ)前景廣闊

1. 優(yōu)勢(shì)：鐵鉻電池較其他電化學(xué)電池具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。根據(jù)鐵鉻電池的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其高安全、高靈活性和長(zhǎng)壽命的技術(shù)特點(diǎn)使其在可再生能源發(fā)電儲(chǔ)能裝置、電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、電網(wǎng)削峰填谷、不間斷電源或應(yīng)急電源等領(lǐng)域擁有很廣闊的應(yīng)用前景。

1）電對(duì)元素特性疊加水性電解質(zhì)溶液，鐵鉻電池系統(tǒng)安全性較高。鐵-鉻液流電池的電解質(zhì)溶液為含有 Fe3+/Fe2+電對(duì)和 Cr3+/Cr2+電對(duì)的水性溶液，不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。且電解質(zhì)溶液儲(chǔ)存在兩個(gè)分離的儲(chǔ)液罐中，電池堆與儲(chǔ)液罐分離，在常溫常壓下運(yùn)行，安全性高。即使在運(yùn)行過(guò)程中，隔膜發(fā)生破裂，正負(fù)極活性物質(zhì)發(fā)生互混，也不會(huì)引起燃燒和爆炸。

2）適配儲(chǔ)能循環(huán)壽命長(zhǎng)，模塊/定制化設(shè)計(jì)靈活穩(wěn)定。鐵-鉻液流電池在充放電過(guò)程中，電極材料只提供反應(yīng)界面，本身不參與反應(yīng)，而且電極反應(yīng)均為液相反應(yīng)，無(wú)相態(tài)變化，不會(huì)發(fā)生類似同態(tài)電極的脫落成片結(jié)構(gòu)坍塌等問(wèn)題，可以長(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)，理論充放電循壞次數(shù)可以達(dá)到 10000 次，與全釩液流電池持平，壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈉硫電池、鋰離子電池和鉛酸電池。另外鐵鉻液流電池的額定功率和額定容量是獨(dú)立的，功率大小取決于電池堆，容量大小取決于電解質(zhì)溶液，可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行功率和容量的量身定制。而且其電能儲(chǔ)存在電解質(zhì)溶液內(nèi)，而電解質(zhì)溶液存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐里，不存在自放電現(xiàn)象，尤其適用于做備用電源等。因而方便進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)電堆組合維持系統(tǒng)的性能穩(wěn)定。

3）原材料資源豐富，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，疊加回收優(yōu)勢(shì)成本較低。鐵-鉻液流電池的電解質(zhì)溶液原材料資源豐富且成本較低，鉻鐵礦全球探明儲(chǔ)量達(dá)到了 5.1 億噸，較釩/鋰儲(chǔ)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，不會(huì)出現(xiàn)短期內(nèi)資源制約發(fā)展的情況。另外電池在使用過(guò)程中，金屬鐵和鉻離子只發(fā)生價(jià)態(tài)變化，并不會(huì)被消耗，可以永久性循環(huán)使用、節(jié)約資源，另外鐵鉻電池電堆及系統(tǒng)廢棄時(shí)，碳材料和樹(shù)脂材料均可以作為燃料使用，部分金屬則可以繼續(xù)使用，因此鐵鉻電池回收簡(jiǎn)單、殘余價(jià)值高、環(huán)境負(fù)荷小，因而是可持續(xù)發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)。相較全釩液流電池，鐵鉻電池的成本占比最大的部分是膜、PCS 以及鐵鉻電解液，鐵鉻液流電池的膜占比是全釩液流電池的兩倍，但膜的成本較低，另外 Fe3+的低氧化特性也可以使用低廉的碳?xì)浠衔锬?，也可以進(jìn)一步降低鐵鉻液流電池的成本。此外其電解液占比僅為 9%，所以其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的優(yōu)勢(shì)明顯展露出來(lái)。

2. 劣勢(shì)：鐵鉻電池負(fù)極活性弱，容易受制于 Cr 離子金屬特性而產(chǎn)生析氫問(wèn)題。鐵-鉻液流電池負(fù)極 Cr2+/Cr3+電對(duì)相較于正極 Fe2+/Fe3+電對(duì)在電極上的反應(yīng)活性較差，是影響電池性能的主要原因之一。且 Cr3+離子電化學(xué)反應(yīng)活性較差、易老化、易發(fā)生析氫反應(yīng)、容量衰減快、能量效率低等原因仍然限制著鐵鉻液流電池商業(yè)化發(fā)展。另外反應(yīng)過(guò)程中電池正負(fù)極電解液一定程度上會(huì)形成交叉感染，所以需要配備循環(huán)泵、電控設(shè)備等輔助設(shè)備，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

鐵鉻電池能量密度低，且能量效率轉(zhuǎn)換低是制約其商業(yè)推廣的最大挑戰(zhàn)。目前鐵鉻液流電池的能量密度僅為10-20Wh/L，顯著低于鋰電池的 300-400Wh/L，也低于全釩液流電池的15-30Wh/L。因此其本體會(huì)受到電池體積大、密度大、重量大及電解液溶解度等的限制，因此鐵鉻體系的比能量較低，整體能量密度較低，只適合大規(guī)模的儲(chǔ)能電站。另外材料所需的離子交換膜價(jià)格昂貴，對(duì)表面催化劑的要求較高，也對(duì)鐵鉻電池推廣起到了一定的限制作用。

產(chǎn)業(yè)鏈上下游公司有望受益

鐵鉻鐵鉻液流電池的整個(gè)系統(tǒng)由能量單元（電解液及儲(chǔ)罐）、功率單元（單電池、電堆或電堆模塊）、輸運(yùn)系統(tǒng)（管路、閥門(mén)、泵、換熱器等）、控制系統(tǒng)、附加設(shè)施等部分組成，其中能量單元和功率單元是核心模塊。鐵鉻液流電池的正負(fù)極電解液為含有鐵離子和鉻離子的溶液，是其真正的儲(chǔ)能介質(zhì)，能量單元的核心。產(chǎn)業(yè)鏈條為上游鉻礦經(jīng)過(guò)冶煉生成鉻鹽，中游鉻鹽加工進(jìn)而用于生產(chǎn)鐵鉻液流電池，下游鉻中間品多范圍跨行業(yè)應(yīng)用于鋼鐵、電池、皮革等行業(yè)。

鉻產(chǎn)業(yè)鏈條行業(yè)覆蓋范圍廣，跨度較大。鉻鐵礦按工業(yè)用途劃分為冶金級(jí)、化工級(jí)、耐火級(jí)和鑄石級(jí)，其中冶金級(jí)鉻鐵礦全球產(chǎn)量占比超過(guò) 95%。因耐磨、耐高溫、耐腐蝕及其親鐵性的性質(zhì)，冶金級(jí)鉻鐵礦被冶煉成鉻鐵合金被添加到不銹鋼、特鋼等鋼材中。不銹鋼是目前鉻元素最大的消費(fèi)下游，因含有鎳鉻而具有不銹、耐蝕性主要特性。鉻鐵按不同含碳量分為高碳鉻鐵（含碳為4~8%）、中碳鉻鐵（含碳為0.5~4%）、低碳鉻鐵（含碳0.15~0.50%）、微碳鉻鐵（含碳為 0.06%）、超微碳鉻鐵（含碳小于 0.03%）。中、低、微碳鉻鐵由高碳鉻鐵添加硅石冶煉成，因其含碳量少也被用廣泛于加工特殊鋼材。另外化工級(jí)鉻礦還可以加工成氧化鉻綠、三氧化鉻、紅礬鈉等鉻鹽，用于顏料、涂料、陶瓷、飼料、電鍍、合金、皮革等眾多行業(yè)等。鉻鐵電解法和鉻鹽碳還原法可提純至金屬鉻。隨鐵鉻液流電池的商業(yè)化，未來(lái)電池領(lǐng)域或?qū)⒊蔀樾碌南M(fèi)增長(zhǎng)點(diǎn)。

上游產(chǎn)業(yè)鏈：全球鉻鐵礦資源豐富，鉻鐵礦資源總量超過(guò)120億噸，主要分布于南非、津巴布韋、哈薩克斯坦、巴基斯坦、土耳其和印度等國(guó)家，已探明總鉻鐵礦儲(chǔ)量約75億噸。其中南非資源量最大，約占世界資源總量的一半，是全球最大的鉻資源出口國(guó)。南非、津巴布韋、哈薩克斯坦鉻鐵礦資源量約占世界鉻鐵礦探明資源總量的95%。其中津巴布韋雖鉻礦儲(chǔ)量豐富，但開(kāi)發(fā)程度較低，于2021年宣布禁礦。哈薩克斯坦鉻礦多用于本國(guó)生產(chǎn)，出口量較低。

中國(guó)鉻資源缺少，僅西藏、甘肅、內(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)有礦藏分布。根據(jù)中國(guó)冶金報(bào)，我國(guó)鉻資源總探明儲(chǔ)量為5700萬(wàn)噸，全球占比不足1%，對(duì)外依存度極高超過(guò)90%。目前，隨著國(guó)內(nèi)不銹鋼市場(chǎng)持續(xù)旺盛，疊加儲(chǔ)能鐵鉻電池的蓬勃興起，解決進(jìn)口礦供應(yīng)成為市場(chǎng)的決定性因素。我國(guó)需求企業(yè)主要從南非、土耳其等國(guó)進(jìn)口鉻鐵礦，未來(lái)預(yù)計(jì)導(dǎo)通津巴布韋的礦石供應(yīng)鏈，不斷深化與以上礦資源國(guó)家及地區(qū)的貿(mào)易合作，在一定程度上將減緩鉻鐵礦原材料供應(yīng)不確定性的風(fēng)險(xiǎn)。

鉻資源缺少，隨著高碳鉻鐵產(chǎn)量爬坡，頭部礦業(yè)將享受超額收益。隨著中國(guó)不銹鋼的需求不斷起量，鉻礦需求將不斷上升，國(guó)際上鉻鐵價(jià)格將面臨長(zhǎng)期壓力，再加上宏觀政策上對(duì)鉻鐵礦加工貿(mào)易的限制，因此會(huì)長(zhǎng)期出現(xiàn)國(guó)內(nèi)鉻鐵行業(yè)發(fā)展力不足，對(duì)國(guó)外礦石依存度過(guò)高，上游受制于礦石供應(yīng)商，所以頭部礦業(yè)將享受市場(chǎng)增長(zhǎng)賦予的超額收益。

下游儲(chǔ)能：國(guó)內(nèi)對(duì)鐵/鉻液流電池的研究始于20世紀(jì)90年代，早期以跟蹤研究為主。中科院大連化學(xué)物理研究所的衣寶廉院士團(tuán)隊(duì)于1992年曾經(jīng)推出過(guò)270W 的小型鐵/鉻液流電池電堆。中科院大連化物所和沈陽(yáng)的金屬所的研究中，負(fù)極析氫與電解液離子互混問(wèn)題長(zhǎng)期難以解決。2019年11月，中國(guó)國(guó)家電投公司所屬的中央研究院和上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的國(guó)內(nèi)首個(gè) 31.25kW 鐵/鉻液流電池電堆“容和一號(hào)”成功下線，經(jīng)測(cè)試，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求。首批次共8臺(tái)電堆，應(yīng)用于張家口戰(zhàn)石溝光伏電站250kW/1.5MWh鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，并已于 2020年12月投入試運(yùn)行，成為國(guó)內(nèi)首座百千瓦級(jí)鐵-鉻液流電池儲(chǔ)能示范電站。2022年1月，“容和一號(hào)”量產(chǎn)線投產(chǎn)，單條產(chǎn)線可年產(chǎn)5000臺(tái)“容和一號(hào)”電堆，標(biāo)志著鐵/鉻液流電池儲(chǔ)能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化向前邁進(jìn)了一大步，為液流電池儲(chǔ)能技術(shù)帶來(lái)了新的增長(zhǎng)點(diǎn)。與此同時(shí)，國(guó)家電投還在內(nèi)蒙古霍林河啟動(dòng)了全球首個(gè)兆瓦級(jí)鐵/鉻液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目建設(shè)，預(yù)計(jì)將在22年年底投產(chǎn)，屆時(shí)將再度刷新全球鐵/鉻液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大實(shí)證容量紀(jì)錄。

發(fā)展趨勢(shì)：鐵鉻液流電池材料的改進(jìn)是未來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模推廣的關(guān)鍵。鐵鉻當(dāng)前負(fù)極鉻離子的活性還有待提高，析氫副反應(yīng)影響較大，離子傳導(dǎo)膜在高溫運(yùn)行條件下的溶脹依然較大，循環(huán)穩(wěn)定性較差等。未來(lái)依然需要適配儲(chǔ)能進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和突破：

1）電池材料改進(jìn)：優(yōu)化離子傳導(dǎo)膜的離子選擇性以提高庫(kù)侖效率，選擇合適的添加劑降低析氫副反應(yīng)的影響，提高活性物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)以及電極材料的活性以降低電池的電化學(xué)極化，另外提高雙極板的電導(dǎo)率以及減小離子傳導(dǎo)膜、電極、雙極板的厚度，從而降低電池的歐姆極化。

2）電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化：降低電解液的流動(dòng)阻力，提高電解液分布均勻性以及過(guò)電勢(shì)分布均勻性，以降低電池的濃差極化，縮短電子、質(zhì)子的傳遞路徑，提高傳質(zhì)效率。

3）降低成本：鐵鉻液流電池對(duì)膜的要求較低，非氟磺酸膜實(shí)現(xiàn)突破后可以替代價(jià)格昂貴的全氟磺酸膜，將進(jìn)一步降低電池成本，進(jìn)而推動(dòng)鐵鉻液流電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

重力儲(chǔ)能：商業(yè)化早期，發(fā)展?jié)摿薮?/strong>