中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：一方面，行業(yè)瘋狂“內(nèi)卷”，鋰電池企業(yè)都在為能否活過(guò)“淘汰賽”而發(fā)愁；另一方面，鈉離子電池、固態(tài)電池、釩液流電池等新產(chǎn)品、新技術(shù)蓬勃發(fā)展，顯示了明朗的前景。
技術(shù)更迭本是產(chǎn)業(yè)常態(tài)，優(yōu)勝劣汰更是市場(chǎng)法則。那么，行業(yè)參與者們是如何看待這一切的？
“縱觀漫長(zhǎng)商業(yè)史，從鋼鐵、出版、房地產(chǎn)、互聯(lián)網(wǎng)……每一個(gè)行業(yè)的興衰，看似機(jī)緣不同，卻都經(jīng)歷了驚人相似的周期和規(guī)律。所以，尊重商業(yè)邏輯、經(jīng)濟(jì)規(guī)律以及發(fā)展周期，是我實(shí)踐工作的基本出發(fā)點(diǎn)?！苯眨械滦滦骡C鈦儲(chǔ)能科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新新釩鈦”）CEO劉勝男接受華夏能源網(wǎng)專(zhuān)訪時(shí)如是說(shuō)道。
新新釩鈦是國(guó)內(nèi)釩液流電池的頭部玩家之一，位于有“世界釩谷”美譽(yù)的承德，專(zhuān)注釩電池領(lǐng)域已達(dá)18年之久，是行業(yè)內(nèi)目前唯一一家做到全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵原材料自主研發(fā)自主生產(chǎn)的釩電池企業(yè)。
在眾多的技術(shù)路線中，之所以敢于押注釩液流，劉勝男和新新釩鈦有自己的邏輯。
“釩液流有短板，更有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。短板問(wèn)題我相信通過(guò)技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)配套升級(jí)未來(lái)都能解決。液流儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展切不可急于求成，按照經(jīng)濟(jì)規(guī)律發(fā)展，行穩(wěn)致遠(yuǎn)，深耕厚植，未來(lái)前景一定可期。”劉勝男表示。
行業(yè)尚未到達(dá)Take-off階段
劉勝男介紹，全釩液流電池發(fā)明于上世紀(jì)80年代，是由澳大利亞新南威爾士大學(xué)Maria博士發(fā)明，經(jīng)過(guò)40余年的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，目前全釩液流儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)發(fā)展為電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)中下一顆新星。
從市場(chǎng)應(yīng)用看，隨著長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求越來(lái)越高，全釩液流電池因其“儲(chǔ)電規(guī)模大”、“生命周期長(zhǎng)”、“安全性能高”、“儲(chǔ)能時(shí)間長(zhǎng)”、“平均成本低”這五大優(yōu)勢(shì)，成為大規(guī)模中長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的首選技術(shù)路線。
在國(guó)內(nèi)，從2021年到目前，各省市已經(jīng)出臺(tái)了17項(xiàng)關(guān)于支持釩電池儲(chǔ)能的文件，為液流電池提供了有力的政策支持。自2024年以來(lái)，在儲(chǔ)能招標(biāo)中，全釩液流儲(chǔ)能電池頻繁出現(xiàn)在各大企業(yè)的招標(biāo)文件中，僅上半年招標(biāo)規(guī)模就已超6GWh。
從全球范圍來(lái)看，液流電池儲(chǔ)能市場(chǎng)也在快速增長(zhǎng)，國(guó)際上已有300多個(gè)已建成或預(yù)計(jì)建設(shè)的全釩液流電池項(xiàng)目，規(guī)模5kW到100MW不等。
不過(guò)，液流電池盡管發(fā)展不錯(cuò)，但并未真正進(jìn)入高速發(fā)展的“快車(chē)道”。劉勝男表示，目前液流行業(yè)已完成了可行性探索（Feasibility），正處于成長(zhǎng)階段（Growth），在此期間，會(huì)涌入大量逐利資本和資源，產(chǎn)生一定的泡沫預(yù)期，行業(yè)即將在未來(lái)3—5年接受新能源市場(chǎng)的洗禮，運(yùn)行出其經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，留下來(lái)真正適用的技術(shù)、合格的人才、優(yōu)秀的企業(yè)，屆時(shí)液流儲(chǔ)能才能算是起飛（Take-off）階段。
“我們需要耐住性子，用3—5GWh的實(shí)證、創(chuàng)新和合作，用跨行業(yè)、跨國(guó)界的思維，為液流電池在構(gòu)建新型電力系統(tǒng)中做出一份堅(jiān)實(shí)有力的貢獻(xiàn)?！眲倌姓f(shuō)。
鋰電的今天就是液流的明天？
隨著釩液流電池前景的明朗化，越來(lái)越多企業(yè)參與到其中。國(guó)內(nèi)最大的金融產(chǎn)業(yè)收并購(gòu)服務(wù)機(jī)構(gòu)之一千際投行披露的數(shù)據(jù)顯示，截至2024年6月末，全國(guó)釩電池概念上市企業(yè)30家，總市值達(dá)4707.61億元；而天眼查數(shù)據(jù)顯示，截至2024年7月中旬，國(guó)內(nèi)“釩電池”概念企業(yè)多達(dá)1565個(gè)。
眾多企業(yè)布局釩液流電池，為行業(yè)帶來(lái)高景氣的同時(shí)，也帶來(lái)一大擔(dān)憂：釩電池行業(yè)會(huì)不會(huì)重蹈鋰電池行業(yè)瘋狂內(nèi)卷的覆轍？
近年來(lái)，由于電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能賽道的高景氣，鋰電行業(yè)進(jìn)入野蠻發(fā)展期，從上游鋰資源到下游電池制造，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈均瘋狂擴(kuò)產(chǎn)，且不斷有跨界者加入。鋰電池很快就從賣(mài)方市場(chǎng)變成了買(mǎi)方市場(chǎng)，鋰電池廠商紛紛打起價(jià)格戰(zhàn)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈瘋狂“內(nèi)卷”，低價(jià)格、低利潤(rùn)、業(yè)績(jī)下滑甚至虧損彌漫著整個(gè)行業(yè)。
對(duì)此，劉勝男表示，“對(duì)液流行業(yè)的未來(lái)，我的觀點(diǎn)是短期保守，長(zhǎng)期樂(lè)觀。我并不認(rèn)為鋰電行業(yè)的今天就會(huì)是液流的明天，我們會(huì)更健康，是真正能打造出國(guó)際品牌的新型支柱產(chǎn)業(yè)”。
之所以如此斷定，劉勝男給出了四大原因：
第一，從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)講，釩資源是我國(guó)戰(zhàn)略性儲(chǔ)備資源，釩電池行業(yè)的原材料不會(huì)受制于人，產(chǎn)品價(jià)格自然不會(huì)盲目漲跌；
第二，從技術(shù)路線上來(lái)講，安全、長(zhǎng)時(shí)、全生命周期服務(wù)新能源發(fā)電，是一種安全穩(wěn)定的構(gòu)網(wǎng)型電力基礎(chǔ)設(shè)施，我國(guó)目前擁有全世界最成熟的液流電池技術(shù)和人才；
第三、從市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，我國(guó)目前擁有最大的新能源裝機(jī)量，是液流電池實(shí)證、創(chuàng)新、升級(jí)、優(yōu)化最理想的沃土和搖籃；
第四，近來(lái)歐美多個(gè)國(guó)家實(shí)施儲(chǔ)能“誰(shuí)建設(shè)、誰(shuí)回收”政策，回收鋰電將會(huì)是我國(guó)鋰電出口企業(yè)沉重的負(fù)擔(dān)，但是釩電解液可以回收再利用，回收釩電池將會(huì)成為我國(guó)源源不斷的儲(chǔ)能資源和資產(chǎn)。也為全世界可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，提供真正“可循環(huán)”的儲(chǔ)能支撐。
釩液流電池降本空間很大
釩液流電池之所以被儲(chǔ)能行業(yè)看好，一個(gè)重要原因在于可適用于多種場(chǎng)景。
在電網(wǎng)側(cè)，釩液流電池可以存儲(chǔ)大量的電能，并能夠快速釋放，為電網(wǎng)提供削峰填谷、平衡負(fù)荷等服務(wù)，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性；
在發(fā)電側(cè)：釩液流電池可以與太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源系統(tǒng)結(jié)合使用，將可再生能源轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存起來(lái)，以應(yīng)對(duì)能源波動(dòng)和供需不平衡的問(wèn)題；
在用戶側(cè)，釩液流電池可作為備用電源，應(yīng)用在政府、醫(yī)院、社區(qū)、通訊、工廠等重要部門(mén)，確保在突發(fā)情況下電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性，也可用于工商業(yè)儲(chǔ)能，為工廠套取峰谷電價(jià)差，節(jié)省生產(chǎn)成本；還可用于大型充電站的建設(shè)，為電動(dòng)汽車(chē)等電動(dòng)交通工具提供穩(wěn)定的充電服務(wù)，同時(shí)也可配合新能源與EMC的戶儲(chǔ)系統(tǒng)。
“從最近兩年的招標(biāo)情況看來(lái)，隨著液流電池的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，在發(fā)電端、電網(wǎng)端、用戶端的儲(chǔ)能項(xiàng)目都逐漸開(kāi)始有指定采用液流電池的項(xiàng)目。電網(wǎng)端的獨(dú)立共享儲(chǔ)能電站居多，也是因?yàn)橐毫麟姵氐奶攸c(diǎn)更適合大儲(chǔ)。”劉勝男表示。
值得一提的是，在當(dāng)前的大儲(chǔ)市場(chǎng)，鋰電池還占據(jù)著主要市場(chǎng)，而且正朝著“高時(shí)長(zhǎng)、低價(jià)格”的趨勢(shì)發(fā)展。目前，隨著電芯容量的增加，鋰電池儲(chǔ)能電站也能滿足4—6時(shí)長(zhǎng)的需求，而且價(jià)格還在不住下探。
數(shù)據(jù)顯示，近期磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池招標(biāo)價(jià)已經(jīng)低至0.33元/Wh，而釩電池的成本還在2.1—2.3元/Wh左右。因此，就目前而言，價(jià)格還是掣肘釩液流電池與鋰電池“同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)”的最大因素。
不過(guò)，劉勝男表示，釩液流電池雖然初期投資成本高，“但釩電池壽命可達(dá)20—25年，全生命周期綜合來(lái)看，度電儲(chǔ)能成本相對(duì)鋰電池具有一定優(yōu)勢(shì)。”
另外，劉勝男還表示，在成本方面，釩液流電池的降本空間很大，“如果運(yùn)用電解液租賃的模式，初始投資能夠降一半左右?！?
電解液租賃模式是指由租賃公司出資購(gòu)買(mǎi)釩電池電解液，然后將電解液出租給項(xiàng)目投資方。由于釩電池電解液在充放電過(guò)程中幾乎沒(méi)有損耗，可循環(huán)利用，且回收技術(shù)成熟，具有保值、增值能力。通過(guò)租賃電解液的方式，投資方可以大幅降低電解液成本。
“關(guān)鍵材料的成本也有望進(jìn)一步下降?！眲倌羞€稱(chēng)。
鋰電池儲(chǔ)能仍是主流，液流電池、鈉電池等新型儲(chǔ)能技術(shù)獲市場(chǎng)關(guān)注
鋰電池儲(chǔ)能是當(dāng)前新型儲(chǔ)能市場(chǎng)中的主流選擇。但由于儲(chǔ)能市場(chǎng)天然的多元化特點(diǎn)，以及鋰電池儲(chǔ)能自身存在短板，其他非鋰儲(chǔ)能技術(shù)也持續(xù)獲得市場(chǎng)青睞，正在快速崛起之中。
上海證券報(bào)記者在2024中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能發(fā)展峰會(huì)上了解到，鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)正不斷迭代，補(bǔ)鋰成為改善電池壽命短板的重要手段。而鈉電池、液流電池等新型儲(chǔ)能技術(shù)同樣受到市場(chǎng)關(guān)注。鋰電池儲(chǔ)能的激烈競(jìng)爭(zhēng)，將企業(yè)自然導(dǎo)流到非鋰儲(chǔ)能市場(chǎng)、尤其是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)中尋找機(jī)會(huì)。
鋰電儲(chǔ)能技術(shù)持續(xù)進(jìn)步
鋰電池儲(chǔ)能在當(dāng)前新型儲(chǔ)能中占據(jù)90%以上的市場(chǎng)份額，是主流的技術(shù)路線。對(duì)鋰電池儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，延長(zhǎng)電池使用壽命、減少容量衰減是重要的技術(shù)突破方向。記者在峰會(huì)上了解到，補(bǔ)鋰技術(shù)正成為解決上述問(wèn)題的手段。
寧德時(shí)代儲(chǔ)能總工程師李星在峰會(huì)上介紹，鋰離子電池壽命約15年，不足傳統(tǒng)抽水蓄能50年壽命的三分之一，也低于電力行業(yè)核心部件20年壽命的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。因此，儲(chǔ)能鋰電池亟須進(jìn)一步突破壽命瓶頸。
針對(duì)這一問(wèn)題，寧德時(shí)代采取的是“開(kāi)源”“節(jié)流”相結(jié)合的解決方法。開(kāi)源，即額外補(bǔ)償活性鋰；節(jié)流，即降低本征鋰耗。補(bǔ)償活性鋰可以通過(guò)鋰離子電池的預(yù)鋰化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。李星介紹，預(yù)鋰化技術(shù)方法包括化學(xué)預(yù)鋰化、電化學(xué)預(yù)鋰化（外短路）、物理接觸（內(nèi)短路）、正極預(yù)鋰化添加劑等。這幾種技術(shù)路線沒(méi)有絕對(duì)好壞之分，選擇一種技術(shù)路線，重點(diǎn)在于如何彌補(bǔ)它的短板。
李星介紹，補(bǔ)償活性鋰時(shí)需要考慮的幾個(gè)維度包括：補(bǔ)鋰的利用率有多高、全生命周期內(nèi)是否會(huì)帶來(lái)其他影響、補(bǔ)鋰和電池陰陽(yáng)極及電解液產(chǎn)生的交互作用，以及可制造性。他表示，目前可規(guī)?；瘧?yīng)用的補(bǔ)鋰技術(shù)比較少，因需要考慮補(bǔ)鋰技術(shù)和當(dāng)前電池產(chǎn)線的兼容性。
在“節(jié)流”方面，鋰的消耗原因主要是鋰離子持續(xù)脫嵌，導(dǎo)致陽(yáng)極結(jié)構(gòu)破壞，SEI不斷損傷修復(fù)，持續(xù)消耗活性鋰，壽命衰減加速。為此，寧德時(shí)代研發(fā)出自修復(fù)陰離子反應(yīng)機(jī)制電解液，以及高穩(wěn)定、低熱力學(xué)鋰耗石墨，以降低電池化學(xué)體系本征鋰耗。
這些技術(shù)應(yīng)用在了近期寧德時(shí)代推出的天恒儲(chǔ)能系統(tǒng)中。據(jù)介紹，天恒系統(tǒng)主打長(zhǎng)壽命，可實(shí)現(xiàn)首5年容量、功率零衰減。
記者注意到，半固態(tài)電池已經(jīng)在儲(chǔ)能行業(yè)開(kāi)始試水。據(jù)中國(guó)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2024年上半年半固態(tài)電池裝車(chē)2154.7MWh，電池來(lái)源為衛(wèi)藍(lán)新能源。在儲(chǔ)能方面，衛(wèi)藍(lán)新能源280Ah超高安全儲(chǔ)能電芯已于2023年下半年量產(chǎn)交付，為三峽、海博思創(chuàng)、國(guó)電投等多個(gè)儲(chǔ)能項(xiàng)目供貨。
衛(wèi)藍(lán)新能源相關(guān)負(fù)責(zé)人對(duì)記者表示，公司目前的半固態(tài)儲(chǔ)能電池售價(jià)與液態(tài)電解液鋰離子電池相近。半固態(tài)電池應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，主打的優(yōu)勢(shì)之一是安全性。
非鋰儲(chǔ)能受關(guān)注度提升
儲(chǔ)能市場(chǎng)中，還有多元化的技術(shù)路線正與鋰離子電池技術(shù)路線競(jìng)爭(zhēng)。與鋰離子電池原理基本一致的鈉離子電池就是其中之一。
2024年上半年，鈉離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目頻頻落地。5月，全球首套10MWh鈉離子電池電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)在廣西南寧正式投入運(yùn)行。6月30日，大唐湖北100MW/200MWh鈉離子新型儲(chǔ)能電站科技創(chuàng)新示范項(xiàng)目一期工程建成投運(yùn)，投產(chǎn)規(guī)模50MW/100MWh。這是全球最大的鈉離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目。
中國(guó)工程院院士陳立泉在峰會(huì)上表示，鈉離子電池儲(chǔ)能商業(yè)化運(yùn)行進(jìn)入了新的階段。鈉離子電池是中國(guó)建設(shè)新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)和培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要方向。
記者注意到，與會(huì)嘉賓提到的鈉電池相對(duì)鋰電池的主要競(jìng)爭(zhēng)力在于資源儲(chǔ)量豐富，以及更好的倍率性能和低溫性能。不過(guò)，目前鈉離子電池生產(chǎn)規(guī)模還不大，產(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)未顯現(xiàn)，產(chǎn)品價(jià)格較高，對(duì)其市場(chǎng)應(yīng)用產(chǎn)生了一定阻礙。
瑞浦蘭鈞能源股份有限公司副總裁易輝瓊認(rèn)為，鋰離子電池只適合8小時(shí)以內(nèi)的儲(chǔ)能。在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域，則是其他技術(shù)發(fā)展的空間。
偉力得能源集團(tuán)股份有限公司長(zhǎng)期從事液流電池的研究，而液流電池被認(rèn)為是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的良好選擇。該公司董事長(zhǎng)陳繼軍表示，目前新能源發(fā)電量占比已達(dá)到20%左右。由于新能源發(fā)電波動(dòng)性、間歇性的特性，市場(chǎng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求越來(lái)越旺盛。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)在“十四五”兩部制電價(jià)政策落地以后發(fā)展很快。他認(rèn)為，“十五五”時(shí)期（2026至2030年）將成為長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能發(fā)展的寶貴時(shí)間。
中國(guó)石油工程材料研究院儲(chǔ)能負(fù)責(zé)人計(jì)東東介紹，該研究院中的新能源材料研究中心主研方向包括全釩液流電池、鈣鈦礦光伏、余熱溫差發(fā)電等。計(jì)東東表示，油氣行業(yè)的特殊性導(dǎo)致在運(yùn)用儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)特別注重安全性、低成本和可持續(xù)性。本質(zhì)安全的液流電池技術(shù)路線，最適合匹配油氣行業(yè)新能源裝機(jī)量快速增長(zhǎng)對(duì)儲(chǔ)能的巨大需求。
此外，鋰電儲(chǔ)能的激烈競(jìng)爭(zhēng)，正促使部分企業(yè)轉(zhuǎn)向長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展。河南創(chuàng)力新能源科技股份有限公司董事長(zhǎng)楊玉鋒表示，企業(yè)沒(méi)有必要都到4至6小時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域去競(jìng)爭(zhēng)，他選擇8小時(shí)至10小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能市場(chǎng)。
美國(guó)新型納米電燃料液流電池獲突破，未來(lái)有望搶占鋰電動(dòng)力電池市場(chǎng)
當(dāng)莫尼卡把電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)到母親家時(shí)，她的電池電量表顯示是時(shí)候重新充電了。她在充電站停了下來(lái)，用信用卡輕觸開(kāi)關(guān)，然后將噴嘴插入車(chē)內(nèi)，5分鐘內(nèi)400升用過(guò)的納米流體被更換成了新鮮的能量液。在她等待的時(shí)候，一輛大型罐車(chē)停了下來(lái)，通過(guò)將數(shù)萬(wàn)升的乏燃料換成已充電燃料來(lái)為整個(gè)站點(diǎn)充能。莫尼卡關(guān)閉了她的電動(dòng)汽車(chē)加油口，駛向高速公路，儲(chǔ)存的能量足以讓她繼續(xù)行駛640公里（400英里）。
她的電動(dòng)汽車(chē)中的電池是液流電池的變體，這種設(shè)計(jì)可以更換廢電解液，這是最快的選擇，也可以直接對(duì)電池充電，但這需要更長(zhǎng)的時(shí)間。液流電池安全、穩(wěn)定、持久、易于重新充電，這些特性非常適合它們平衡電網(wǎng)、提供不間斷電源和備用電源。
這種電池使用一種全新的流體，稱(chēng)為納米電燃料(NEF)。與尺寸相當(dāng)?shù)膫鹘y(tǒng)液流電池相比，它可以存儲(chǔ)15到25倍的能量，使電池系統(tǒng)足夠小，可用于電動(dòng)汽車(chē)，能量密度足以滿足汽車(chē)的續(xù)航里程和快速充電。這是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）戰(zhàn)略技術(shù)辦公室正在推行的一個(gè)項(xiàng)目的民用衍生產(chǎn)品，該項(xiàng)目是到2030年提供軍用全電動(dòng)供應(yīng)車(chē)和到2050年滿足電動(dòng)戰(zhàn)術(shù)車(chē)部署的一部分。
使用鋰基電池會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題。你需要一個(gè)充電基礎(chǔ)設(shè)施，這對(duì)美國(guó)軍方來(lái)說(shuō)意味著需要專(zhuān)門(mén)部署，通常是在不適宜居住的地方。然后是充電時(shí)間長(zhǎng)；熱失控的危險(xiǎn)，即易發(fā)火災(zāi)；鋰電池的使用壽命相對(duì)較短；以及當(dāng)舊電池不再有用時(shí)，獲取電池材料并回收它們的困難。減輕這些問(wèn)題的電池是DARPA的目標(biāo)。新型液流電池似乎擊中了每一個(gè)目標(biāo)。如果它奏效，對(duì)交通電氣化的好處將是巨大的。
納米電燃料電池是近一個(gè)半世紀(jì)前首次提出的氧化還原液流電池的一種新形式。該設(shè)計(jì)在20世紀(jì)中葉恢復(fù)了活力，被開(kāi)發(fā)用于月球基地，并進(jìn)一步改進(jìn)用于電網(wǎng)儲(chǔ)能。
液流電池的電解液使用兩種含有離子的化學(xué)溶液，一種作為陽(yáng)極電解液（靠近陽(yáng)極），另一種作為陰極電解液（靠近陰極）。兩種溶液之間的電化學(xué)反應(yīng)推動(dòng)電子通過(guò)電路。典型的氧化還原液流電池使用基于鐵鉻或釩的離子；后者利用了釩的四種不同離子態(tài)。
在反應(yīng)的機(jī)理方面，每種溶液都被連續(xù)泵入電池單元的不同側(cè)面。離子通過(guò)穿過(guò)膜從一種溶液傳遞到另一種溶液，膜將溶液分開(kāi)。在電氣方面，電流從一個(gè)電極流入外部電路，在返回到另一個(gè)電極之前循環(huán)。電池可以通過(guò)兩種方式充電：兩種溶液可以通過(guò)相反方向的電流就地充電，這是傳統(tǒng)電池的充電方式；或者用充電后的溶液替換用過(guò)的溶液，這種方法的速度很快。
除了在性能和安全性方面擊敗鋰電池外，液流電池也更容易擴(kuò)大規(guī)模：如果你想儲(chǔ)存更多的能量，只需增加溶液儲(chǔ)罐的尺寸或溶液的濃度。如果你想提供更多的電力，只需將更多的電池堆疊在一起或添加新的電池堆。
伊利諾伊州內(nèi)珀維爾Volta Energy Technologies的技術(shù)負(fù)責(zé)人、液流電池專(zhuān)家Kara Rodby表示，這種可擴(kuò)展性使液流電池適用于需要高達(dá)100MW的應(yīng)用。她說(shuō)，一個(gè)例子是平衡電網(wǎng)中的能量流動(dòng)。
然而，傳統(tǒng)的液流電池在給定的體積和質(zhì)量?jī)?nèi)只儲(chǔ)存很少的能量。它們的能量密度只有鋰離子電池的10%。Rodby解釋說(shuō)，這與水溶液可以容納的物質(zhì)有關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一杯水中能溶解的鹽是有限的。
因此，到目前為止，液流電池對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)都太笨重了。為了將它們縮小到足以適應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)，你需要將它們的能量密度至少提高到和鋰離子電池差不多。
為液流電池增加容量的一個(gè)好方法是使用納米流體，它將納米顆粒保持在懸浮狀態(tài)。這些粒子在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，類(lèi)似于傳統(tǒng)液流電池中溶解離子的反應(yīng)，但納米流體的能量密度更高。重要的是，與其他懸浮液（例如水中的沙子）不同，納米流體被設(shè)計(jì)為無(wú)限期懸浮。這種無(wú)限懸浮有助于顆粒在系統(tǒng)中移動(dòng)并與電極接觸。這些顆?？梢哉家后w重量的80%，同時(shí)使其不會(huì)比機(jī)油更粘稠。
2009年，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和伊利諾伊理工學(xué)院的研究人員首次研究了懸浮在水基電解質(zhì)中的納米流體在這方面的應(yīng)用?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，納米流體可用于儲(chǔ)能潛力接近鋰離子電池的系統(tǒng)，并可用于液流電池的可泵送充電。更重要的是，納米顆粒可以由容易獲得的廉價(jià)礦物制成，例如分別用于陽(yáng)極和陰極材料的氧化鐵和γ二氧化錳。
此外，由于納米電燃料是一種水懸浮液，它不會(huì)著火或爆炸，如果電池泄漏，這種材料也不會(huì)有危險(xiǎn)。電池?fù)碛?40°C至80°C的工作溫度范圍。
2013年，該團(tuán)隊(duì)獲得了美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局（ARPA-E）為期三年、344萬(wàn)美元的資助，用于建造1KWh納米電燃料電池原型。原型的成功鼓勵(lì)了幾位主要研究人員，它們成立了一家名為Influit Energy的公司，致力于將該技術(shù)商業(yè)化。通過(guò)額外的政府合同，這家初創(chuàng)公司繼續(xù)改進(jìn)該技術(shù)的組成部分——納米電燃料本身、電池架構(gòu)以及充電和輸送系統(tǒng)。
Influit的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官John Katsoudas強(qiáng)調(diào)了該公司的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)液流電池之間的區(qū)別。他說(shuō)：“我們的新穎之處在于，用納米流體做其他人已經(jīng)做過(guò)的事情（液流電池）?！?
Katsoudas補(bǔ)充道，隨著基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的解決，Influit現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)一種能量密度為每公斤550至850Wh或更高的電池，而標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池的能量密度為200至350Wh/公斤。該公司預(yù)計(jì)，更大的版本也將在支持電網(wǎng)方面擊敗老式的液流電池，因?yàn)榧{米電燃料可以重復(fù)使用，至少與傳統(tǒng)的液流電池一樣多，能夠重復(fù)使用10000次或更多，而且可能會(huì)更便宜。
他說(shuō)，燃料將根據(jù)需要生產(chǎn)，最終達(dá)到取代化石燃料的規(guī)模。燃料可以像今天的汽油一樣通過(guò)罐車(chē)或現(xiàn)有的升級(jí)管道運(yùn)輸?shù)絺}(cāng)庫(kù)。在倉(cāng)庫(kù)里，乏燃料可以用任何來(lái)源的電力重新充電——太陽(yáng)能、風(fēng)能、水電、核能或化石燃料。充電也可以在加油站或電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)完成。在后一種情況下，充電將像今天的電池電動(dòng)汽車(chē)一樣工作。
如果發(fā)生罐車(chē)失事或管道破裂怎么辦？
Katsoudas解釋說(shuō)：“納米電燃料(NEF)變成了一種糊狀物質(zhì)，然后你可以把它掃掉?！彼a(bǔ)充道，“如果你不想等它干了，你可以加更多的水來(lái)降低酸度，然后清掃一下就可以了?！?
你不想做的就是扔掉那些東西。他說(shuō)：“收集到的是電池中最有價(jià)值的部分。有一些方法可以很容易地將活性材料重組成可以重復(fù)使用的新型納米流體?！?
帶電液體混合的風(fēng)險(xiǎn)是什么？
Katsoudas說(shuō)，他們已經(jīng)證明，直接混合不同的現(xiàn)有陽(yáng)極電解液和陰極電解液液體只會(huì)造成極小的安全隱患，而且由于下一代NEF材料將使用相同的液體，因此風(fēng)險(xiǎn)完全可以降至最低。
在所有方面，納米電燃料液流電池似乎都優(yōu)于鋰離子電池用于電動(dòng)汽車(chē)和更大的系統(tǒng)。Influit預(yù)計(jì)，當(dāng)前一代納米電燃料，以及該公司圍繞其構(gòu)建的生產(chǎn)、分配和回收燃料所需的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，在電動(dòng)汽車(chē)中使用時(shí)的成本應(yīng)為130美元/KWh。相比之下，鋰離子電池的成本約為138美元/KWh。誠(chéng)然，鋰離子電池的成本在幾年內(nèi)應(yīng)該會(huì)降至100美元/KWh以下，但I(xiàn)nfluit預(yù)計(jì)其下一代納米電燃料的成本將進(jìn)一步下降，降至50至80美元/KWh左右。下一代系統(tǒng)的能量密度應(yīng)該是目前鋰離子系統(tǒng)的5倍。
這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)意味著什么。
如今，一個(gè)典型的電動(dòng)汽車(chē)電池的體積與一個(gè)裝有400升納米電子燃料的液流電池的體積大致相同。如果納米顆粒占燃料重量的30%，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程將只有105公里。如果將其提高到40%，續(xù)航里程將攀升到274公里。如果達(dá)到50%，續(xù)航里程可達(dá)362公里。如果提高到80%，續(xù)航里程為724公里（450英里）。這一切的假設(shè)都基于存儲(chǔ)能量的油箱體積保持不變的情況下。
DARPA戰(zhàn)略技術(shù)辦公室的項(xiàng)目經(jīng)理Aaron Kofford表示，Influe已經(jīng)達(dá)到了50%的目標(biāo)，并展示了80%的納米電燃料。
Kofford說(shuō)，對(duì)于軍方來(lái)說(shuō)，納米電燃料電池比鋰離子電池和內(nèi)燃機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在軍用戰(zhàn)車(chē)中，保護(hù)車(chē)輛的化石燃料箱至關(guān)重要，但這種額外的保護(hù)措施很重，需要車(chē)輛有更重的懸架。這種重量反過(guò)來(lái)又降低了續(xù)航里程和有效載荷。鋰離子電池本身很重，容易著火，還需要對(duì)其進(jìn)行大量屏蔽，以防止被炮彈擊中。
相比之下，納米電燃料電池是防火的，因此重量和安全問(wèn)題大大減少。
Kofford說(shuō)：“在系統(tǒng)層面上，如果我們能采用一種本質(zhì)上安全的化學(xué)物質(zhì)，我們就不需要在電池中使用那么多的內(nèi)包裝?！彼a(bǔ)充道，“它們也不會(huì)散發(fā)出那么多的熱量，所以從遠(yuǎn)處很難發(fā)現(xiàn)這些車(chē)輛?！奔{米電燃料液流電池的民用應(yīng)用正在被發(fā)現(xiàn)，特別是在航空領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)家航空航天局高級(jí)空中機(jī)動(dòng)首席策略師Starr Ginn觀察到，電動(dòng)飛機(jī)對(duì)消防安全系統(tǒng)的需求減少是一個(gè)吸引點(diǎn)。
Ginn說(shuō)，使用納米電燃料，“你不需要高功率電纜，也不會(huì)有電磁干擾問(wèn)題。納米電燃料可以消除這些讓建造電動(dòng)飛機(jī)變得困難的因素?！?
同樣，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)型能力辦公室正在評(píng)估納米電燃料如何幫助作戰(zhàn)行動(dòng)。Influit還與一家商業(yè)合作伙伴合作，在其電動(dòng)多功能車(chē)系列中試行納米電燃料液流電池。
當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)納米電燃料(NEF)技術(shù)的潛力，還需要做更多的工作。Influit及其政府贊助商預(yù)計(jì)，還需要兩年時(shí)間才能將閉環(huán)系統(tǒng)的所有部分整合在一起，并在各種應(yīng)用中證明其價(jià)值和可擴(kuò)展性。Katsoudas說(shuō)，到2025年或2026年，世界將準(zhǔn)備認(rèn)真研究納米電燃料液流電池，為零排放汽車(chē)、電網(wǎng)備用、電動(dòng)多功能車(chē)等提供動(dòng)力。
兩個(gè)可能的障礙阻礙了這項(xiàng)技術(shù)的崛起：市場(chǎng)力量和競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。
鋰離子電池技術(shù)成熟，市場(chǎng)發(fā)達(dá)。數(shù)千億美元正被投入到各種類(lèi)型鋰電池的開(kāi)發(fā)和改進(jìn)中，其中大部分投資由政府承擔(dān)。例如，DARPA、能源部和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)正在與許多公司合作，克服鋰電池的局限性。歐盟、韓國(guó)和其他地方的政府研究機(jī)構(gòu)正在資助類(lèi)似的研究。為了超越鋰技術(shù)，英飛凌必須說(shuō)服財(cái)力雄厚的人幫助其擴(kuò)大規(guī)?！苍S是來(lái)自其自己的物流供應(yīng)鏈或電動(dòng)汽車(chē)制造商。
其次是技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)。鋰離子電池一次又一次進(jìn)步的消息幾乎每天都有。中國(guó)科學(xué)院研究人員的一份報(bào)告宣稱(chēng)，鋰離子電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到711Wh/kg。一家中國(guó)制造商聲稱(chēng)，一種新的鋰錳鐵磷酸鹽電池化學(xué)物質(zhì)將為電動(dòng)汽車(chē)單次充電1000公里，使用壽命可以達(dá)到130年。其他的信息諸如快速充電鋰基電池的重大改進(jìn)，并使其在軍用車(chē)輛中使用更安全。
然后是非鋰基的新電池化學(xué)物質(zhì)，例如鈉離子和石墨烯電池。在涉及液態(tài)金屬技術(shù)的電網(wǎng)級(jí)電池方面取得了進(jìn)展，并改進(jìn)了使用鋰硫的傳統(tǒng)液流電池技術(shù)。
Infuit的其他直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手包括電子燃料（利用可再生能源從捕獲的二氧化碳和水中生產(chǎn)的合成碳基/碳中和燃料）以及液態(tài)有機(jī)儲(chǔ)氫技術(shù)。這兩種燃料都旨在直接取代化石燃料。Volta的Rodby表示，為了讓Influit獲得市場(chǎng)采用，該公司需要闡明納米電燃料(NEF)的“市場(chǎng)差異化因素”是什么。目前，該技術(shù)似乎特別適合軍事應(yīng)用，國(guó)防部可能愿意為此支付溢價(jià)。作為政府中化石燃料的最大用戶，僅國(guó)防部就可以使Influit Energy擴(kuò)大到足夠的規(guī)模。
當(dāng)然，納米電燃料可能會(huì)在其他應(yīng)用中找到歸宿，如船只、火車(chē)或飛機(jī)。例如，最大的貨運(yùn)集裝箱船運(yùn)載約1500萬(wàn)升燃料。如果其中一部分是可以持續(xù)充電的納米電燃料，那么就有可能大幅減少船舶的碳足跡。
以往的經(jīng)驗(yàn)證明，很多優(yōu)勢(shì)明顯的技術(shù)來(lái)得太晚或太早，最終卻無(wú)法取代當(dāng)前流行的技術(shù)。納米電燃料液流電池似乎優(yōu)于我們今天所擁有的所有電池技術(shù)。也許它會(huì)成為歷史長(zhǎng)河中的那個(gè)幸運(yùn)兒！
關(guān)于Influit Energy
Influit Energy的創(chuàng)始人是NEF技術(shù)的最初發(fā)明者，自該技術(shù)誕生以來(lái)，他們一直在研究此類(lèi)系統(tǒng)的細(xì)微差別。早期研究活動(dòng)開(kāi)始于10多年前，是伊利諾伊理工學(xué)院（IIT）和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ANL）之間的一項(xiàng)合作基礎(chǔ)研究倡議，最初的資金支持很少。初步調(diào)查結(jié)果有助于獲得2014年IIT/ANL ARPA-E聯(lián)合獎(jiǎng)。這些針對(duì)NEF技術(shù)開(kāi)發(fā)的研究工作表明，作為一家公司，要過(guò)渡到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，需要克服明顯的挑戰(zhàn)。
2017年，Influit Energy獲得了NSF第一階段SBIR項(xiàng)目，隨后在2019年獲得了DARPA支持的第二階段SBIR。在這兩個(gè)項(xiàng)目的過(guò)程中，其采用了之前的基礎(chǔ)研究成果，設(shè)計(jì)、建造和演示了第一個(gè)36V NEF電池原型，表明它可以為遙控的45磅吉普車(chē)供電。
