自 20 世纪 60 年代以来,液流电池的发展跨越了从基础研究到工程应用示范的技术瓶颈,在变革能源生产、转化、运输、存储、消费全产业链中起着举足轻重的作用,尤其是拥有"不凡"实力的全钒液流电池,为驱动国家清洁低碳、安全高效的能源体系建设提供了关键技术支撑。《麻省理工科技评论》持续寻找全球范围内电池领域的“聪明公司”,官方申请入口:https://tr50.mittrchina.com。

液流电池迄今主要经历四个发展阶段:

在 1884-1967 年的雏形期,锌-氯液态电池出现,液流电池雏形初步形成,但在安全性、循环性、稳定性上仍存在诸多问题。

在 1968-1985 年的萌芽期,美国航空航天局(NASA)在双液流电池的突破引发各国对液流电池的研究热潮,随后全钒液流电池的概念被提出,全钒液流电池进入起步阶段。

在 1986-2000 年的启动期,澳大利亚新南威尔士大学首次申请了全钒液流电池的专利,中国工程物理研究院建成 500W、1kW 全钒液流电池样机,全钒电池逐步成为各国液流电池的主要研发方向。

在 2001 年至今的高速发展期,全钒液流电池开始进入商业化落地阶段,因其永续循环使用的特性成为长时储能领域的重要选择,中国液流电池行业商业化起步较晚,但发展迅猛,目前已在规模上取得全球领先水准。

液流电池的工作原理决定了其是目前电化学储能技术路线中安全性较高的技术路线。与锂电池不同的是,液流电池的电解液与电堆是相分离的。在众多储能技术中,液流电池储能技术具有安全可靠、生命周期内性价比高、环境友好、循环寿命长等优点。国际上液流电池的种类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。

由于全钒液流电池电解质离子存在于水溶液中,不会发生热失控、过热、燃烧和爆炸。同时,钒电池支持频繁充放电,每天可实现充放电数百次,液态的电解液使得过充过放也不会造成爆炸和电池容量下降。因此全钒液流电池是目前成熟度最高,商业化进程最快的

全钒液流电池主要由电解液储液罐、循环泵、电极、选择性交换膜、双极板和集流体组成。外接泵把电解液压入电堆内,使其在储液罐和半电池的闭合回路中循环流动,选择性交换膜进行离子交换实现电平衡,电解质溶液在电极表面发生电化学反应,通过双电极板收集和传导电流,这个可逆的反应过程使钒电池进行充放电。

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图丨全钒液流电池结构示意图(来源:中钠储能官网)

中国液流电池产业链条较长,复杂度高。上游原材料主要包括五氧化二钒、双极板、离子交换膜、电极等;中游包括电池电堆与电解液的制造,系统集成等;产业链下游应用主要分为电源侧、电网侧与用户侧,当前液流电池的应用以电源侧为主。

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图丨全钒液流电池产业链(来源:powerlab)

产业上游涉及基础化工、钢铁冶炼、有色金属等多个领域,其中钒矿及其加工业是电解液制造的核心,若企业能掌控上游原料供应,形成产业协同效应,则将大幅降低电解液生产成本。五氧化二钒的参与方主要包括攀钢钒钛、河钢股份、西部矿业等。而对于液流电池电堆中的电极、双极板、离子交换膜来说,与氢燃料电池电堆中的相应构件相似度较高,目前主营燃料电池电堆部件的企业也在兼营液流电池电堆部件;例如上海弘枫、华熔科技、东岳未来、科润新材料等,同时生产燃料电池用与液流电池用隔膜、双极板,未来这些企业也易转型为液流电池部件供应商。

产业中游生产电池电堆的代表企业包含旭能瀚源、东岳未来、科润新材料等;生产电解液的代表企业包含湖南银峰、星明能源、大连博融等,未来电解液的供应可能成为产业重要制约因素。液流电池系统集成制造的代表企业如融科储能、北京普能、四川伟力得等。值得注意的是,当前液流电池尚未实现大规模应用,代表企业主要依靠自研自产或外协加工的方式生产电堆材料,假若市场需求放量,电堆、电解液大概率会出现供不应求状况。

产业链下游应用将仍以电源侧为主,根据 CNESA(中国能源研究会专委会)统计显示,中国新型储能项目下游应用以电源侧为主,占比 41%,电网侧应用占比 35%,用户侧应用占比 24%。尽管小型液流电池模组在户用端开拓了新的应用场景,但在成本更低的锂离子电池、铅酸蓄电池等不同技术路线的竞争下,大体积的液流电池系统不太可能成为住宅储能市场中极富竞争力的选择。因此,全钒液流电池更多的是作为工商业生产以及家庭用电的应急储备设施。下游企业参与方主要有国家电投、中核汇能、杭锅集团、北京低碳院等。

当然,液流电池也存在一定不足之处:能量密度低、复杂性高、电解液成本高,这些因素也会对商业化产生一定的影响。但我们相信,有着领域内聪明公司的探索创新,以及政府界和产业界的持续关注与推动,液流电池技术将得到进一步的增强,迎来新的增长。

自《麻省理工科技评论》成立之初,就一直关注那些正在颠覆现有格局并创造新的市场机会影响人类社会的技术,以及那些正在从实验室走向市场即将商业化的技术。在此基础上,也高度关注将这些技术落地,并用这些技术影响我们生活的聪明企业。

这些推动技术商业化、支撑创新人才实现梦想的企业正是《麻省理工科技评论》寻找的“聪明公司”。自 2010 年起,《麻省理工科技评论》每年都会从全球科技公司中评选出“50 家聪明公司”(50 Smartest Companies,简称 TR50),以此洞见未来科技版图的构成。

2018 年,“50 家聪明公司”正式落地中国,从中国视野和中国立场面向全球寻找和甄别那些可能会影响世界的聪明公司。在过去的三年里,《麻省理工科技评论》中国分别以“中国支点”(2019 年)、“中国聚力”(2020 年)和“中国引领”(2021 年)为概念完成评选。2023 年,我们将继续在可持续发展的基调下,在世界范围内寻找关注“In China、By China、For China”的新兴技术创新型商业力量。

往届“50 家聪明公司”入选名单官方发布:

《麻省理工科技评论》“50 家聪明公司”官方申请入口:https://tr50.mittrchina.com

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