科学家创造的新型太阳能液流电池是怎样的

液流电池一种新的蓄电池，液流电池是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池.具有容量高、使用领域（环境）广、循环使用寿命长的特点.是目前的一种新能源产品。氧化还原液流电池是一种正在积极研制开发的新型大容量电化学储能装置,它不同于通常使用固体材料电极或气体电极的电池,其活性物质是流动的电解质溶液,它最显著特点是规模化蓄电,在广泛利用可再生能源的呼声高涨形势下,可以预见,液流电池将迎来一个快速发展的时期。目前,液流电池普遍应用的条件尚不具备,对许多问题尚需进行深入的研究。

循环伏安测试表明:石墨毡具有良好导电性、机械均一性、电化学活性、耐酸且耐强氧化性,是一种较好的电极材料,与石墨棒和各种粉体材料相比,更适合用于液流电池的研究和应用。论文对采用的石墨毡电极分别进行了未处理、热处理、酸热处理。借助于扫描电镜,观察了三种处理方式的石墨毡表面形貌的差异,热处理和酸热处理能除去石墨毡表面的杂质和影响电化学反应的污染物,使石墨毡表面干净平整,石墨毡的表面状况得到明显改善。交流阻抗实验表明,与未处理石墨毡相比,经过热处理、酸热处理石墨毡的电阻明显减小,证实了活化处理对石墨毡表面状况的改善,使石墨毡材料得到改性,降低了电阻,增强了电化学活性.

锌碘液流电池工作原理是聚烯烃多孔结构中充满的氧化态电解液可以溶解充放电过程中产生的锌枝晶，实现自恢复。大规模储能技术是实现可再生能源大规模利用的关键技术，液流电池因具有安全性高、循环寿命长、效率高等特点，是大规模储能的首选技术之一。

锌碘液流电池的发展

锌碘液流电池是液流电池技术的一种，因具有较高能量密度和环境友好等优势，近年来受到越来越多的关注。在前期研究中，科研团队通过优化电解液组成和膜材料，提高了锌碘液流电池的循环寿命和功率密度，但是，电解质利用率相对较低问题仍待解决。

科研团队提出了锌碘单液流电池的概念，与传统锌碘液流电池不同，锌碘单液流电池只有负极一侧具有流动循环系统，正极为固体。因此碘离子可以充电到固态碘单质，使得电解质的利用率接近100%，大幅提高了电池的能量密度，并同时提高了锌碘单液流电池的功率密度。

电池是我们每个人都不陌生的一类储存并提供能源的装置，从一次性使用的干电池到汽车上的铅酸电池、电脑和手机上的锂离子电池等可反复充放电的蓄电池。电池保证了我们在远离电网时也可以随心所欲地用电，给生活带来了极大的便利。不过有一种电池，相信许多朋友比较陌生，它的名字叫液流电池 (flow battery)。那么液流电池是怎样的一种电池，与传统的电池相比又有哪些优点？要回答这些问题，我们首先要从目前如火如荼的新能源开发说起。

一位记者走过位于日本的一台液流电池装置

随着煤、石油、天然气等化石燃料的储量逐渐减少，以及燃烧化石燃料造成的温室效应问题日趋严重，各国政府都把开发利用新能源提到重要的议事日程上来。随着人们重视程度的提高以及相关技术的进步，太阳能、风能等可再生能源在电力供应中所占的比例越来越高。

然而与传统的火力发电相比，这些新能源形式有一个内在缺陷，那就是它们的正常运转受到自然条件的限制，造成电能的输出与用户的需求往往不能很好地匹配。例如用太阳能给一个住宅区供电，白天居民大多不在家，太阳能电池产生的电能供大于求，白白浪费掉；到了晚上居民下班回家，用电量激增，太阳能电池此时却又无法正常供电。

为了解决新能源不稳定的问题，我们通常需要提供一定的储能系统与之配合，在发电能力超过实际需要时将多余的电能转化为其它形式的能量储存起来，而发电能力不能满足需要的时候又可以将储存的能量重新转化为电能。可以说，开发与新能源配套的储能技术的重要性并不亚于开发新能源技术本身。

那么如何将多余的电力供应储存起来？我们可以通过修建抽水蓄能电站的办法，在电能过剩的时候用多余的电能将水从低处移动到高处，也就是将电能转化为水的重力势能，当供电能力不足时再让水从高处落下将水的势能转化为电能。我们还可以用多余的电能压缩空气，等到电能供不应求时释放被压缩的空气，使其推动发电机发电。

不过这些技术虽然可以将电能转化为其它形式的能量储存起来，在实际应用中仍然存在一定的局限，例如抽水蓄能电站的修建通常必须依赖于一定的地形。因此人们更希望用电池来完成这一任务，也就是将电能转化为化学能储存起来。尤其是可以反复充放电的二次电池，也就是俗称的蓄电池，更是辅助新能源的不二选择。

然而实践起来人们却发现，“老革命”遇到了新问题，许多业已成熟的电池技术却力不从心了。那么究竟是为什么呢？这要从常见电池的结构说起。

以经常用于汽车的铅酸蓄电池为例，它的基本结构是将二氧化铅和金属铅制成的电极插入到稀硫酸溶液中。当电路接通时，正极的二氧化铅得到电子变成硫酸铅，而负极的铅失去电子，也变成硫酸铅。当铅和二氧化铅的固体都变成硫酸铅后，我们就会发现，电池没电了。

如果这个时候我们将两边的硫酸铅分别与外加电源相连，在电流的作用下，连接电源正极的硫酸铅失去电子变成二氧化铅，而连接电源负极的硫酸铅得到电子变成铅。如果将外加电源撤去，铅与二氧化铅又可以发生化学反应并释放出电能，也就是说，电池的电量又重新被充满了。

除了铅酸电池，常见的镍镉电池、锂离子电池等蓄电池和碳锌电池（干电池）等一次性的电池，构成正负电极的材料也不仅仅是作为导体传递电流，而是同时参与电化学反应。也就是说，固体电极构成了电池储能的载体。这样的好处是很明显的：电池可以被设计得小巧紧凑，非常适合于“寸土寸金”的便携式设备。

然而将传统的蓄电池应用于新能源的储能却遇到了一个很大的麻烦：新能源供电的不稳定性意味着与之配套的储能设备需要能够很灵活地调节要储存能量的总量以及提供能量的功率。然而对于依靠固体电极的传统电池，一块电池能够储存多少电能，这些电能能够以多大的功率被释放出来，在它被封装好离开流水线的那一刻就已经被固定下来，使用者很难再去根据需要进行调节。

那么如何克服这个缺陷？解决的办法就是让固体电极只负责传递电流，储存电能的任务改由液态的反应物来承担，这也就是液流电池的基本原理。例如目前发展较为成熟的全钒液流电池，其基本构造是一个被选择性渗透膜隔开的腔体，腔体的两侧各有一个固体电极。如果我们在腔体的两侧分别加入含有两种不同钒离子的酸溶液，那么在电池放电时，两级分别会发生这样的反应：

总的结果是两种含有钒的化合物变成了另外两种钒的化合物，而反应中产生的电能就通过电极源源不断地输出到外部电路中。而电池充电时，上面这个反应又反过来进行。

液流电池的基本原理：在电池内部，正负极的反应物被半透膜隔开。无论充电还是放电，所有的化学反应都在溶液中进行，反应结束后溶液可以通过泵从电池中抽走，同时新的待反应的溶液从储料罐中被注入到电池内部。图片引自参考文献[1]

无论是充电还是放电，只要反应进行完全，那么能量的转化也就宣告结束。但与传统电池不同的是，对于液流电池，我们可以用泵将已经转化好的溶液从电池中抽走，再将尚未反应过的溶液注入到电池中，那么充电或者放电过程就可以继续进行。这种电池的能量转化不再依赖于固体电极，而是流动的液体，因此得名液流电池。

相比于使用固体电极的传统电池，液流电池有一个明显的好处就是赋予了使用者更大的自由来调节电池的性能。如果我们需要增加电池的储能容量，不需要改变电池的构造，只要把更多存有钒离子溶液的储料罐与电池相连，或者提高溶液中钒离子的浓度就可以了。如果需要提高电池的输出功率呢？也不难做到，只需要将几个相同的电池连接起来，增大两种溶液互相接触的面积，让单位时间内有更多的溶液发生化学反应。使用上的灵活性，让液流电池能够更好地发挥能量存储的功能。

与太阳能电池联用的全钒液流电池

与传统蓄电池相比，液流电池还有一个显著的优点就是电池变得更加容易维护。在前面我们提到，传统的蓄电池构成固体电极的材料总是在放电时转化为另一种物质，而充电时又变回到原先的物质，例如铅酸蓄电池中铅与硫酸铅之间的转化、镍镉电池中金属镉与氢氧化镉之间的转化等等。然而在实际操作中所发生的往往并不像写在化学反应式中的那么简单。例如构成电极的固体材料经过一个放电-充电循环，虽然回到了最初的化学组成，但是它的结构可能已经发生了改变，而这就不可避免地影响到电池的性能，甚至有可能造成安全事故。相反，在液流电池中，化学反应在溶液中进行，固体电极只是负责传输电流，较少受到各种副反应的干扰。因此，液流电池往往可以比传统的蓄电池经受更多的充放电循环而保持性能基本不受影响。

说了这么多液流电池的优点，我们也要谈谈它的局限性。由于不再像传统蓄电池那样将能量储存在固体材料中，液流电池难以避免的一个缺点是单位质量能够提供的电能要大打折扣，因为溶液的浓度再高，仍然会有大量的溶剂对于对电能的存储毫无贡献。这就好比同样大小的钱包，一个人将它塞满了钞票，另一个人却除了钞票还要放进草纸，两个人一起上街，谁能买到更多的东西自然不言而喻。例如前面提及的全钒液流电池，单位质量能提供的能量只有锂离子电池的20%左右[1]。即便液流电池并不用于便携式设备，人们仍然希望它们越小越好。另外，如何通过使用更为低廉的材料降低液流电池的成本也是目前研究人员努力的一大方向。

当然，有缺点并不可怕，关键是我们如何通过技术的进步来逐渐克服这些缺点。事实上，液流电池技术实际上早在上世纪70年代就已经出现，但直到近些年来人们才意识到它的价值。目前关于液流电池的研究已经成为相当热门的一个领域。相信在不久的将来，这种独特的电池技术能够为解决人类的能源问题发挥更大的作用。

参考文献

[1] Bruce Dunn, Haresh Kamath, Jean-Marie Tarascon, “Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices”, Science, 2011, 334, 928

（作者：魏昕宇）

铁铬液流电池是最早被提出来的一种液流电池，由于成本较低、运行温度范围较大等优势，被认为是具有商业化应用前景的大规模储能技术之一，有效解决风能、太阳能等可再生能源并网等难题，助力碳达峰、碳中和的实现。本文通过对近期相关文献的探讨，首先论述了铁铬液流电池在大规模储能应用中的主要优势，回顾了铁铬液流电池的发展历程，介绍了铁铬液流电池在国内外储能示范项目中的应用情况。其次，归纳并分析了铁铬液流电池在储能应用中面临的技术瓶颈，包括电解液中铬离子的电化学活性较差造成能量效率和功率密度较低，以及充电末期负极容易发生析氢副反应造成电池稳定性差等问题。然后，从铁铬液流电池的电解液、电极、离子传导膜和电池结构四个方面详细阐述了铁铬液流电池技术的研究进展。最后，针对铁铬液流电池存在的局限性，从关键材料改进、结构设计优化和电池成本降低三个方面，对铁铬液流电池未来的技术创新与突破进行展望，为铁铬液流电池技术的发展提供参考和依据。

融合一号电池是国家电投集团。

融合一号是国家电投自主研发的31.25kW铁-铬液流电池堆的产品品牌。铁—铬液流电池储能技术被称为储能时间最长、最安全的电化学储能技术之一，该技术的电解质溶液为水系溶液，不会发生爆炸，可实现功率和容量按需灵活定制，且具有循环寿命长、稳定性好、易回收、运行温度范围广、成本低廉等优势，完全符合我国大规模、长时间储能需求的新型电力系统。铁-铬液流电池，电池名称。2022年1月20日，国家电投拥有自主知识产权的“容和一号”铁-铬液流电池堆量产线投产。每条产线每年可生产5000台30kW“容和一号”电池堆。

【拓展资料】

据中国证券报报道，国家电投拥有自主知识产权的“容和一号”铁-铬液流电池堆量产线投产。每条产线每年可生产5000台30kW“容和一号”电池堆，标志着量化供货的最后堵点已彻底打通，铁-铬液流电池储能技术从实验室迈入商业应用阶段，为电力行业大规模、长时间储能提供了新的解决方案。同时，国家电投在内蒙古霍林河启动全球首个兆瓦级铁-铬液流电池储能示范项目建设，预计今年年底投产，该项目投产后将再次刷新全球铁-铬液流电池储能系统最大实证容量纪录。

铁-铬液流电池储能技术被称为储能时间最长、最安全的电化学储能技术之一，该技术的电解质溶液为水系溶液，不会发生爆炸，可实现功率和容量按需灵活定制，且具有循环寿命长、稳定性好、易回收、运行温度范围广、成本低廉等优势，符合我国大规模、长时间储能需求的新型电力系统。

另据报，2020年，国家电投开发的250 kW/1.5 MWh铁-铬液流电池在张家口光储示范项目中正式投产运行，对于铁-铬液流电池在可再生能源等领域的应用具有里程碑的意义。铁-铬液流电池技术最初是由美国NASA在20世纪70年代研发的，1984年和1986年日本成功制造10kW和60kW的原型系统，此后铁-铬液流电池技术一度消失在大众的视线中，直到国家电投把铁-铬液流电池技术应用在2022年北京冬季奥运会电力保障上，铁-铬液流电池作为储能技术再次回到公众的视野。

行业主要上市公司：宁德时代(002074)派能科技(688063)国轩高科(002074)比亚迪(002594)亿纬锂能(300014)星云股份(300648)均胜电子(600699)科列技术(832432)国电南瑞(600406)华自科技(300490)金风科技(002202)阳光电源(300274)盛弘股份(300693)科华恒盛(002335)科士达(002518)、固德威(688390)阳光电源(300274)科陆电子(002121)南都电源(300068)德赛电池(000049)赣锋锂业(002460)等

本文核心数据：储能板块上市公司研发费用储能相关论文发表数量

全文统计口径说明：1)论文发表数量统计以“energy

storage”为关键词，选择“中国”、“论文”筛选。2)统计时间截至2022年8月29日。3)若有特殊统计口径会在图表下方备注。

储能产业技术概况

1、储能的界定及分类

(1)储能的界定

从广义上讲，储能即能量存储，是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式用同一种或者转换成另一种能量形式存储起来，基于未来应用需要以特定能量形式释放出来的循环过程。

从狭义上讲，储能特指针对电能的存储，即利用化学或者物理的方法将产生的能量存储起来并在需要时释放的一系列技术和措施。

(2)储能的分类

根据不同储能技术储存介质的不同，储能主要分为机械储能、电化学储能、热储能、化学储能、电磁储能等。利用这些储能技术，电能以机械能、化学能、热能等形式存储下来，并适时反馈回电力网络。

2、技术全景图：五大细分技术路线

储能分为机械储能、电磁储能、电化学类储能、热储能以及化学储能五大类技术路线。

储能产业技术发展历程：始于20世纪60年代

从我国储能产业技术发展历程始于20世纪60年代，我国开始抽水蓄能电站研究，并建立第一座混合式抽水蓄能电站-岗南水电站到20世纪90年代，抽水蓄能电站建设迎来高潮至21世纪初期，国内开始其他储能技术的研究，包含压缩空气储能、电化学储能等，并于2010年之后加快了压缩空气、全钒液流电池等储能技术的落地，加快推动储能技术的多元化发展。

储能产业技术政策背景：政策加持技术水平提升

近些年来，我国提出了一系列储能产业技术发展相关政策，加速了储能产业链的发展，同时对储能关键技术做出了标准规范，使得储能技术水平稳步提升。

储能产业技术发展现状

1、储能产业技术科研投入现状

(1)国家重点研发计划项目

据已公开的国家重点研发计划项目，2018-2021年我国储能产业技术相关国家重点研发计划项目共计27项，其中2021年就有22项。

注：2019年未公布储能产业技术相关国家重点研发计划项目。

(2)A股上市企业研发费用

储能行业经过多年发展，储能项目广泛应用，行业整体研发投入水平较高。从A股市场来看，2017-2021年，我国储能板块上市公司研发总费用逐年增长，2022年第一季度，储能板块上市公司研发总费用约228.45亿元。

2、储能产业技术科研创新成果

(1)论文发表数量

从储能相关论文发表数量来看，2010年至今我国储能相关论文发表数量呈现逐年递增的趋势，可见储能科研热度持续走高。截至2022年8月，我国已有90294篇储能相关论文发表。

注：统计时间截至2022年8月。

(2)技术创新热点

通过创新词云可以了解储能技术领域内最热门的技术主题词，分析该技术领域内最新重点研发的主题。通过智慧芽提取该技术领域中最近5000条专利中最常见的关键词，其中，储能系统、储能电池等关键词涉及的专利数量较多，说明储能领域近期的研发和创新重点集中于储能系统、储能电池等领域。

(3)专利聚焦领域

从储能产业技术专利聚焦的领域看，目前储能产业技术专利聚焦领域较明显，其主要聚焦于储能系统、储能电池等。

主要储能产业技术对比分析

从储能技术成熟度看，目前机械储能市场技术成熟度较高，电化学储能技术(储能电池中)锂离子电池、铅酸电池均步入成熟阶段液流电池仍处在研发示范阶段钠硫电池处于部署阶段之中。

其中，成熟度较高的主要储能技术优缺点及应用领域如下：

储能技术发展痛点及突破

1、储能技术发展痛点

(1)成本较高

成本问题是目前储能技术面临的挑战之一。以锂离子电池为例，尽管随着锂离子电池技术的快速提升和电池规模化生产能力的提高，锂离子电池的成本有所下降但相比其他储能方式，锂离子电池的成本仍然处于较高水平。对比抽水蓄能和磷酸铁锂电池的全生命周期度电成本来看，锂离子电池的成本远远高于抽水蓄能，约为抽水蓄能度电成本的1.7倍。

(2)安全问题

安全问题是储能发展需要解决的重点。近年来，国内外多次发生储能电站安全事故，其中多数为锂电池储能。据不完全统计，2021年全球发生9起储能安全事故，其中“4·16”北京大红门储能电站起火爆炸事故便是由于锂电池内部短路引起。

(3)地理环境限制

地理环境的限制也是储能技术发展的一大挑战，例如抽水储能和压缩空气储能。以抽水蓄能电站的建设为例，首先要充分考虑当地的地质条件和自然条件，例如多为砾岩、砂岩等地下岩石，而且为无地震、台风、洪水、干旱等隐患灾害。其次，抽水蓄能电站的建设对上、下水库的高度差和水平距离也有所要求。

2、储能技术发展突破

(1)液流电池有望解决安全问题

液流电池具有安全性高、寿命长、规模大等优势，有望解决锂离子电池的安全隐患问题。

(2)模块化储能技术突破地理限制

目前很多科研人员以及公司都在研究如何让储能技术突破地理上的限制，模块化部署是可以突破例如热岩储能技术、铁空气电池技术、液态空气储能技术等，都已实现了模块化部署，这种模块化的部署能为长时储能带来诸多好处。

储能技术发展方向及趋势：技术路线多元化

《“十四五”新型储能发展实施方案》指出要推动多元化技术开发，开展不同技术路线分类试点示范。其中，对锂离子电池要求往高安全、低成本、长寿命的方向发展，另外也提出重点发展液流电池、金属空气电池、热储能等长时储能技术。

「前瞻碳中和战略研究院」聚焦碳中和领域的政策、技术、产品等开展研究，瞄准国际科技前沿，服务国家重大战略需求，围绕“碳中和”开展有组织、有规划科研攻关，促进碳中和技术成果转化和推广应用，为企业创新找到技术突破口，为各级政府提供碳达峰、碳中和的战略路径管理咨询和技术咨询。院长徐文强博士毕业于美国加州大学伯克利分校，二十余年来一直深耕于低碳清洁能源和绿色材料领域的基础研究、产品开发和产业化，拥有55项专利、33篇论文，并已将30多种产品推向市场，创造商业价值50+亿元，专注于氢能、太阳能、储能等清洁能源研究。

以上数据参考前瞻产业研究院《锂电池行业技术趋势前瞻及投资价值战略咨询报告》。