中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“液流電池易模塊化、時(shí)長靈活、安全且無地域限制，適用于長時(shí)、大規(guī)模儲(chǔ)能，有望滿足新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能提出的所有要求。”
中國科學(xué)院院士、南方科技大學(xué)碳中和能源研究院院長趙天壽多次在公開場合肯定液流電池在儲(chǔ)能大市場中的重要價(jià)值。
唱多液流電池的不僅趙天壽一人，包括中國科學(xué)院院士葉志鎮(zhèn)、中科院大連化物所研究員張華民等在內(nèi)的諸多權(quán)威專家，均一致看好液流電池儲(chǔ)能的發(fā)展前景。
特別是近幾年來，液流電池儲(chǔ)能的發(fā)展顯著提速，風(fēng)險(xiǎn)資本開始進(jìn)入、項(xiàng)目應(yīng)用明顯增加、技術(shù)路線開始進(jìn)一步分化。
在技術(shù)路線上，除了發(fā)展歷史較為悠久的釩電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池外，全鐵液流電池、鋅鐵液流電池、水系有機(jī)液流電池等新技術(shù)亦開始嶄露頭角。
1、液流電池需要低成本新材料
目前，在液流電池的技術(shù)體系內(nèi)，針對(duì)全釩液流電池的研究和應(yīng)用最為廣泛和成熟。
中科院金屬研究所研究員嚴(yán)川偉認(rèn)為，釩電池的技術(shù)與成本已接近滿足商業(yè)發(fā)展要求，并已形成了比較完整的基本產(chǎn)業(yè)鏈；釩的資源也足夠豐富，但產(chǎn)業(yè)鏈的主要問題在于釩市場與釩電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)不相容，難以有效支撐產(chǎn)業(yè)啟動(dòng)和發(fā)展，是產(chǎn)業(yè)鏈最薄弱和受制約的環(huán)節(jié)。
嚴(yán)川偉所說的不兼容指的是：釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)釩的需求量很大，但釩的獲取主要來自鋼鐵冶金的副產(chǎn)物，產(chǎn)量受鋼鐵產(chǎn)能的限制；釩的成本在釩電池系統(tǒng)中占比50%以上，釩的價(jià)格波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)成本的影響巨大。
張華民更是直言，五氧化二釩價(jià)格最終得穩(wěn)定在10-12萬/噸；如果超過15萬/噸，全釩液流電池產(chǎn)業(yè)很有可能會(huì)夭折。
這時(shí)，一種成本更為低廉、資源優(yōu)勢更為明顯的全鐵液流電池開始受到人們的廣泛關(guān)注。
全鐵液流電池的技術(shù)發(fā)展最早可追溯到1981年，美國科學(xué)家Hruska和Savinell提出了全鐵液流電池的概念，其正負(fù)極活性物質(zhì)為不同價(jià)態(tài)的含鐵化合物。
全鐵液流電池采用的電解液原材料鐵的資源豐富，價(jià)格便宜且常年保持穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)短期內(nèi)資源制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的情況。
上海電氣儲(chǔ)能科技有限公司總經(jīng)理?xiàng)盍亓厝涨耙卜Q：全鐵液流電池的價(jià)格將是全釩液流電池的1/3，可對(duì)目前的液流電池實(shí)現(xiàn)大幅降本。
顯然，全鐵液流電池除了擁有液流電池的相關(guān)優(yōu)勢外，鐵的廉價(jià)易得更讓其彌補(bǔ)了釩電池的關(guān)鍵短板。當(dāng)前，液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的初裝成本普遍過高，是阻礙其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的最大障礙。全鐵液流電池在初裝成本上將因此得以大幅下滑，打破這一屏障。
2、堿性全鐵液流電池出圈
全鐵液流電池分為酸性金屬沉積型和堿性絡(luò)（螯）合物全溶性兩種體系。
長時(shí)間以來，很多人的全鐵液流電池觀念還停留在傳統(tǒng)酸性全鐵液流電池的固有印象中。
酸性條件下，鐵負(fù)極涉及到金屬鐵的沉積反應(yīng)，然而液相與金屬相的轉(zhuǎn)化反應(yīng)一般都會(huì)存在金屬枝晶的問題，金屬鐵在電極中沉積并附著在電極上時(shí)易形成枝晶，枝晶會(huì)在電池隔膜方向累積并最終刺穿隔膜，引起電池短路；同時(shí)在酸性條件下，鐵負(fù)極Fe2＋/Fe電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電位與析氫反應(yīng)的電位接近，導(dǎo)致析氫反應(yīng)成為酸性全鐵液流電池中一個(gè)比較嚴(yán)重的副反應(yīng)。
也就是說，酸性全鐵液流電池在反應(yīng)過程中會(huì)生成枝晶與氫氣，影響其循環(huán)壽命，為大家所詬病。
為避免以上問題，國內(nèi)研發(fā)團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑——開啟堿性絡(luò)（螯）合物全溶性全鐵液流電池的研究。
與傳統(tǒng)的酸性不同，堿性全鐵液流電池采用堿性水溶液體系，析氫不易發(fā)生，絡(luò)合物與鐵結(jié)合后可調(diào)控鐵離子/亞鐵離子的氧化還原電位，使得不同鐵絡(luò)合物配對(duì)產(chǎn)生電位差（電壓）；鐵絡(luò)合物一般為可溶性物質(zhì)，因此可有效消除沉淀與枝晶生成問題；通過對(duì)絡(luò)合物的親水性設(shè)計(jì)有利于提升溶解度，從而提高電池能量密度。
2022年7月，中科院大連化物所的研究人員通過將鐵/葡萄糖酸亞鐵與[Fe(CN)?]3-/[Fe(CN)?]?-偶聯(lián)，提出了一種低成本的堿性全鐵液流電池方案。鐵-葡萄糖酸亞鐵在堿性介質(zhì)中具有較高的電化學(xué)活性和溶解度，從而使電池在電流密度為80mA/cm2的情況下，可以連續(xù)充放電950次(530h)，庫侖效率超過99%，能量效率約為83%，且沒有明顯的容量衰減。
此外，以巨安儲(chǔ)能武漢科技有限責(zé)任公司（以下簡稱巨安儲(chǔ)能）為代表的企業(yè)也在專注于新型堿性全鐵離子液流電池的研究及產(chǎn)業(yè)化。巨安儲(chǔ)能提出特異性螯合物，采用超穩(wěn)定配體分子，電池可實(shí)現(xiàn)充放電循環(huán)20000次以上；而且在其堿性體系中，充放電過程幾乎不析出氫氣，電池更安全更穩(wěn)定。
3、“魚和熊掌”可兼得？
“既保留了全鐵液流電池低成本材料的優(yōu)勢，也提高了性能與穩(wěn)定性?！?
堿性全鐵液流電池何以兼得？
（摘自巨安儲(chǔ)能總經(jīng)理孟錦濤報(bào)告）
這個(gè)技術(shù)難題，事實(shí)上并不容易解決。早期，傳統(tǒng)配體分子如TEA和TiPA等與鐵離子的結(jié)合能力較弱，在充放電過程中，配體分子脫離即會(huì)導(dǎo)致鐵的沉積和析氫的副反應(yīng)。因此，配體分子選擇與設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
由于配體分子本身不參與氧化還原反應(yīng)，而是由鐵離子在充放電過程中失去或獲取電子，因此配體本身的穩(wěn)定性是較容易實(shí)現(xiàn)的；主要挑戰(zhàn)在于鐵與配體分子之間的強(qiáng)結(jié)合力，因此對(duì)鐵與配體分子之間的相互作用研究是關(guān)鍵點(diǎn)。
從2016年開始，巨安儲(chǔ)能技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)著手對(duì)全鐵螯合物材料進(jìn)行深度開發(fā)。其研發(fā)團(tuán)隊(duì)幾乎全天候進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開發(fā)了上百種螯合物分子，并使用分子模擬平臺(tái)進(jìn)行不斷迭代設(shè)計(jì)。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)還研究了多種金屬配體分子，不僅與鐵配位，還研究了錳、鈷、鉻等金屬離子的配位效果。
經(jīng)過定向開發(fā)的配體，其與鐵離子的結(jié)合能力得到了大幅提高，在充放電過程中不會(huì)分解。巨安儲(chǔ)能稱之為特異性鐵螯合物。這種特異性設(shè)計(jì)確保在上萬次充放電循環(huán)中，電池容量保持率可以接近100%。
同時(shí)，螯合物的特異性設(shè)計(jì)可顯著提高活性材料的反應(yīng)速率，比傳統(tǒng)鐵離子提高了將近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在80%能量效率下，新型堿性全鐵液流電池可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)150mA/cm2的電流密度，而傳統(tǒng)全鐵液流電池只能達(dá)到20mA/cm2到80mA/cm2。這樣既保留了全鐵液流電池低成本材料的優(yōu)勢，同時(shí)也提高了性能。
4、堿性全鐵液流電池的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化之路
“酒香也怕巷子深”，想要將兼具低成本和高性能優(yōu)勢的新型堿性全鐵液流電池推向市場，需要技術(shù)創(chuàng)新、智能制造、資本與市場的多輪驅(qū)動(dòng)。
目前，全鐵液流電池技術(shù)已初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，已成功投運(yùn)多個(gè)百千瓦級(jí)至兆瓦級(jí)的新型全鐵液流儲(chǔ)能系統(tǒng)，今年已入選國家能源局第三批能源領(lǐng)域首臺(tái)（套）重大技術(shù)裝備。
“五大六小兩網(wǎng)兩建”等能源央國企也先后啟動(dòng)全鐵液流電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目的開發(fā)，中廣核、中電建、湖北省新能源等企業(yè)的五個(gè)全鐵液流電池儲(chǔ)能電站項(xiàng)目已納入湖北省2023年新型儲(chǔ)能電站試點(diǎn)示范項(xiàng)目名單，總規(guī)模達(dá)240MW/680MWh。
在用戶側(cè)，湖北黃石華創(chuàng)科技園80kW/80kWh全鐵液流儲(chǔ)能示范項(xiàng)目已于2022年12月投入使用。另外，250kW/1MWh、1MW/2MWh堿性全鐵液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)也相繼并網(wǎng)測試。
2023年7月，中廣核公安縣獅子口鎮(zhèn)200MW/800MWh鐵基液流電池儲(chǔ)能電站、中電建英山100MW/400MWh鐵基液流儲(chǔ)能電站(風(fēng)光儲(chǔ)一體化)成功入選國家能源領(lǐng)域重大技術(shù)裝備首臺(tái)(套)第三批示范應(yīng)用項(xiàng)目。
（國家能源局公示名單）
2023年9月20日，堿性全鐵液流儲(chǔ)能電解液年產(chǎn)60萬噸基地項(xiàng)目簽約落戶黃岡。項(xiàng)目建成后，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)60萬噸的全鐵液流系統(tǒng)電解液規(guī)模，可滿足10GWh以上的全鐵液流儲(chǔ)能電站的正負(fù)極電解液需求，其中一期項(xiàng)目將于2024年投產(chǎn)，年產(chǎn)能為20萬噸。
由此可見，堿性全鐵液流電池的技術(shù)成熟度與量產(chǎn)能力已經(jīng)向GWh邁進(jìn)，這或許也得益于全鐵電解液低成本與材料易得的特點(diǎn)。在全釩液流電池快速發(fā)展的同時(shí)，堿性全鐵液流電池采用與釩電池通用的電堆結(jié)構(gòu)，常溫運(yùn)行，且無需特殊的催化劑，這使得全鐵液流電池可以在商業(yè)化道路上快速發(fā)展，或?qū)硪粓鲆毫麟姵氐男录夹g(shù)革命。
