中國儲能網(wǎng)訊：“新型硫鐵電解液，相較于全釩電解液成本可降低90%，這將使得配置該電解液的液流電池裝機成本降至1-1.5元/Wh的水平?！鄙钲谑兄泻蛢δ芸萍加邢薰臼紫茖W(xué)家謝偉此前如是說道。
這與深圳市易池新能科技有限公司（Luquos Energy）聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家盧怡君不謀而合：“這種創(chuàng)新技術(shù)有望將儲能成本減少到鋰電池的一半，主要原因是其使用的硫元素價格極為低廉?！?
1.首創(chuàng)中性硫鐵液流電池體系
在過去的十幾年中，已經(jīng)有很多研究人員嘗試過硫基液流電池的研發(fā)，硫鐵液流電池于2015年左右在美國首次被公開報道。
國內(nèi)也有研究團隊在關(guān)注這一技術(shù)路線，其中包括長沙理工大學(xué)教授賈傳坤團隊。
據(jù)賈傳坤回憶，2017年至2019年間，五氧化二釩價格飛漲，從最初的幾萬元每噸漲到了幾十萬元每噸，對于當(dāng)時釩電池的發(fā)展來說是一記沉重的打擊。
因此，回國之后的賈傳坤多次說過：“沒有釩礦堅決不做釩電池體系。”
基于此，一些研究人員開始尋找原材料儲量豐富且便宜的液流電池體系，包括錳、鈦、鐵、鉻以及硫鐵、鋅鐵等，技術(shù)路線眾多。
在賈傳坤看來，首先鐵元素的儲量是毋庸置疑的，另外硫元素的儲量也非常豐富，且硫具有多種不同的價態(tài)，可以形成不同的化合物。
最近，賈傳坤教授、丁美教授基于團隊首創(chuàng)中性硫鐵液流電池體系，聯(lián)合新加坡國立大學(xué)王慶教授，利用氧化還原靶向反應(yīng)的機理，構(gòu)建了新一代高能量密度中性硫鐵固液相液流電池系統(tǒng)。
該研究團隊基于異離子效應(yīng)原理，將亞鐵氰化鉀和亞鐵氰化鈉混合物作為正極活性物質(zhì)，成功地將鐵氰化物/亞鐵氰化物的溶解度大幅提升至1.62摩爾/升。在正極儲液罐中引入普魯士藍作為固體儲能材料，利用氧化還原靶向反應(yīng)，進一步將正極活性物質(zhì)的理論濃度增加到10摩爾/升，該側(cè)在中性硫鐵液流電池體系中理論能量密度高達260 WhL-1。
電池測試結(jié)果表明，正極電解液實際能量密度為92.8WhL-1，電池的最大功率密度達到284.7mWcm-2。同時該體系具有優(yōu)異的高溫性能，在50攝氏度下電池仍能保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性，且固體儲能材料的利用率隨著溫度升高逐步增加。中性硫鐵液流電池小電堆的庫倫效率接近100%。
研究發(fā)現(xiàn)，基于氧化還原靶向反應(yīng)的中性硫鐵液流電池表現(xiàn)出超長的循環(huán)壽命，7000次(4500h)循環(huán)后，由于固體儲能物質(zhì)持續(xù)釋放容量，電池的容量保持率達到181.8%。
賈傳坤團隊和相關(guān)企業(yè)研制的20千瓦中性硫鐵液流電池單堆產(chǎn)品
該成果于2021年10月首次申請發(fā)明專利，2022年2月獲得專利授權(quán)（高體積容量液流電池系統(tǒng)，ZL202111260042.5），并已與湖南創(chuàng)達儲能科技有限公司完成專利成果轉(zhuǎn)化。目前5kW、10 kW和20 kW中性硫鐵液流電池堆產(chǎn)品完成測試，正在建設(shè)100MW生產(chǎn)線，預(yù)計2024年建成投產(chǎn)。
2.解決成本與安全性兩大痛點
成立于2020年底的深圳市易池新能科技有限公司（Luquos Energy）在香港中文大學(xué)機械與自動化工程學(xué)系教授盧怡君的帶領(lǐng)下，專注于開發(fā)、生產(chǎn)硫鐵液流電池。
盧怡君稱：“我們一直在思考如何能夠同時解決成本與安全性這兩大痛點，我們選擇了本身具有安全性的水作為電解液，并采用地殼中豐富的硫元素作為儲能介質(zhì)，聚焦水系硫基液流電池技術(shù)?！?
但硫元素在電池中非常容易遷移，而普通的商用膜很難阻擋這一過程。
2021年，盧怡君及其團隊提出了一種電荷增強離子選擇性膜，通過減少多硫化物的穿梭率顯著延長循環(huán)壽命，但在其商業(yè)化的過程中仍存在循環(huán)壽命短和低能量效率的瓶頸。
為解決這一難題，該團隊提出了一種分子催化劑核黃素磷酸鈉（FMN-Na），以高能效促進多硫化物的轉(zhuǎn)化。
在實驗中，發(fā)現(xiàn)含有該團隊催化劑的液流電池表現(xiàn)良好，在40mAcm-2下運行2000次循環(huán)后，每個循環(huán)的衰減率為0.00004%。為了證明催化劑的可擴展性，盧怡君和團隊成員創(chuàng)建了一個100平方厘米的電池堆，工作電流密度高達100毫安每平方厘米，顯示出巨大的實際應(yīng)用潛力。
100平方厘米的硫鐵液流電池堆
正如研究人員的初步發(fā)現(xiàn)，他們提高多硫化物液流電池性能的方法也可以擴大規(guī)模，以創(chuàng)建更大的液流電池系統(tǒng)。未來的研究可以通過測試含有FMN-Na催化劑的各種電池的性能來幫助進一步評估和驗證這種方法的潛力。
盧怡君稱：“實驗室里科研成果走向市場并不容易，除了需要投入大量資金做研究、實驗，在寸土寸金的香港建立實驗室和研究中心也非常困難。”
為了解決資金問題，2021年，盧怡君團隊以“安全及低成本的液流電池”項目參加由香港中化煤氣有限公司舉辦的首屆TERA-Award智慧能源創(chuàng)新大賽，并獲得銅獎，其研發(fā)的“安全及低成本的液流電池”項目憑借安全性好、成本低、壽命長、換電方便等優(yōu)勢脫穎而出，同時也得到了香港中華煤氣進一步的戰(zhàn)略投資。
3.全壽命度電成本降至鋰電池的一半左右
由于釩電解液占液流電池成本最多，因此很多新型技術(shù)路線都迫切希望尋找一種可以替代釩的原材料，借此降低成本。
中和儲能選擇的技術(shù)路線便是硫鐵，其優(yōu)勢在于鐵本身比較廉價，硫?qū)儆诨な睙挼母碑a(chǎn)物，成本比鐵更便宜，因此，硫鐵具有顯著的價格優(yōu)勢。
謝偉指出，電解液體系未來的目標(biāo)是要把初始裝機成本做到接近鋰電池。硫、鐵是非常成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，其作為電解液的成本只有釩的1/10。
全壽命度電成本對比
謝偉稱：“因為硫鐵的邊際成本低，但是電堆成本高，所以在4小時內(nèi)優(yōu)勢不會太明顯。但隨著時間越來越長，它的優(yōu)勢會越來越明顯，因為它的邊際成本能夠快速地把系統(tǒng)成本帶下來。硫鐵體系將來是面向更長時的儲能，從經(jīng)濟性能上來看基本要去覆蓋6-10h區(qū)間的應(yīng)用場景。”
硫鐵液流電池其一側(cè)使用多硫化物為電解液，但多硫化物的反應(yīng)活性不理想，中和儲能針對有效提升多硫化物氧化還原電化學(xué)活性開展研究，目前在1000次循環(huán)的過程當(dāng)中，1000瓦的電堆運行很平穩(wěn)，能量效率達到70%以上。
2024年3月18日，中和儲能“100MW液流電池全自動化生產(chǎn)線”項目簽約落戶長沙望城區(qū)，將推動硫鐵液流電池產(chǎn)品快速上市。該條生產(chǎn)線預(yù)計將于2024年下半年建成投產(chǎn)。
