中国储能网讯：11月24-26日，由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办，100余家机构共同支持的湖南（长沙）电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间，组委会邀请了中南大学化学化工学院教授刘素琴分享主题报告《液流电池的机遇、挑战与解决方案》。以下是发言主要内容：

刘素琴：尊敬的各位专家、同行，我今天想在这里分享一下液流电池的机遇、挑战和它的一些解决方案。

我是来自于中南大学化学化工学院的刘素琴，我们首先想从市场和技术经济分析来看看液流电池储能它的机遇和挑战。从2020年“双碳”目标提出以来，我觉得是给液流电池带来一个很大的机遇，据中关村储能产业技术联盟给的数据，从2021年到2025年，液流电池储能它装机的规模，从0.2GW到2025年的1.7GW，如果我们按照装机平均的时长是4小时，装机成本按照3块钱每千瓦时来计算，对应的新增投资是从2021年的24亿元到2025年达到204亿元。从这里看，每年是超过50%的增速发展，从这里看，液流储能有比较可观的发展，快速的发展。

从国内液流电池装机的进展来看，这些数据实际上是比较保险的数据，我们从辽宁大连，它已经有100兆瓦，400兆瓦时开始并网。除此之外，湖北襄阳有100兆瓦和500兆瓦时的在采购，中核汇能在前不久有1GWh的开票，除此之外在新疆的吉木塞尔和伊犁分别有两个250兆瓦和1GWh已经开工的报道。湖南省好像是在吉首市初步有一个100兆瓦和400兆瓦时完成签约的情况。

从这里看，液流电池这块储能是有比较大的机遇，当然液流这块有不同的，刚刚贾老师讲了硫铁，后面张总会讲他们在铁-铬液流这块的进展。全钒液流电池作为液流电池当中的代表，因为就目前的阶段来说，它在技术上是有它的先进性在的，所以我们这里就举了全钒液流电池指标和锂离子电池指标去对比一下。为什么跟锂离子电池对比？其实我觉得不应该对比，一是他们储能的容量来看，还有它的时长来看，两者是不同的市场，应用市场是不一样的，但是由于锂离子电池的发展比全钒液流这块要早，也是发展最快的，所以它首先已经进入到了储能的市场。液流电池要进到储能市场，大家是不自觉的就拿它和锂离子电池进行一个对比，我们这里给出了两者技术指标的对比，从这里看，锂离子电池在能量密度和系统效率这块比液流电池是有优势的，但是液流电池它循环寿命、安全性，还有深度的充放电能力，以及容量的可恢复性和电池的一致性等方面也是有它的优势在这里的。

讲到能量密度这块，其实对于储能来说，能量密度最能影响的实际上是它的占地面积，对于我们拿10兆瓦级别以上的液流电池储能和锂离子电池储能他们的占地面积来进行比较，我们可以看出前面两个都是全钒液流的。后面的五个都是锂离子电池的占地面积。从这里来看，实际上液流电池的储能占地面积并不比锂离子电池高，这是为什么？主要是由于液流电池有高的安全性，所以使得储能系统可以采取更为紧密的排布方式，使得占地面积相对来说会比较小一点。尤其是从10兆瓦、40兆瓦时，每兆瓦时的占地面积是93平，到100兆瓦和400兆瓦时的时候，它每兆瓦时的占地面积是下降到了61平。对于锂离子电池，它通常就是每个兆瓦时占地面积是在100平左右的样子。

第二方面可能是大家比较关注的，他们的经济指标，除了技术指标就是经济指标。从这里可以看到，锂离子电池当中我们以磷酸铁锂正极材料为例，进行比较和全钒液流这块。我们把他们的循环寿命和服役寿命，以及系统的效率和容量衰减一起考虑进来，计算出来，对于锂离子电池100兆瓦、400兆瓦时全系统的初始投资大概是1600元每千瓦时，而全钒液流电池是3600元每千瓦时。当然这3600块钱相对来说也是给得比较高的，因为前面1GWh开标报的成本大概是3000块钱每千瓦时的情况。从这里看，锂离子电池在初始投资的成本是要比全钒液流电池低，一个只有64000万，液流电池就达到了144000万，由于两者的使用寿命是不一样的，并且两者运维的成本和过程当中如果要换，我们都按照折算成25年的寿命来算，每度电的成本，两者是接近的，锂离子电池是0.72元，全钒液流是0.75元。全钒液流系统的残值是比较高的，如果我们把系统残值给算进去之后，再去折算25年的度电成本，锂离子电池可能还比全钒液流稍稍要高一点。从这里看，液流电池这块它的储能是有已经大的机遇，当然它还是有它的挑战，尤其是初始的投资成本这块，它有比较大的挑战在这里。液流储能要把握住这个机遇，我们还是有很多工作要做的。

首先是提质和降成本是我们目前面临的最大挑战，提升液流电池的性能，我们要从它的关键材料入手，关键材料当中通常说电解液、电极和隔膜这三样，电解液目前面临的困难一个是高浓度的高稳定性，尤其在1.5摩尔以上，或者它在比较高的温度，比如接近50度的工作温度下，它能够保持长期的稳定性。还有负极这块，在比较低的温度，比如说负20度左右，或者负40度的情况下，要保持它的稳定性，这是目前电解液这块面临的课题和挑战。

解决方法主要是采用混酸，或者其他支持电解质，有报道说采用离子液体加其他的添加剂，有人做到了8摩尔每升的电解液，运行的温度在负40度到80度的条件下。报道出来至少给我们全钒液流电池有这种可能性，除此之外也有很多作为添加剂，包括无机添加剂和有机添加剂去改善它的稳定性和电解液的利用率，以及充放电的活性这块，这是对于电解液的。对于电极，我们重点要关注钒离子电对的氧化还原活性，主要针对动力学缓慢这块，以及副反应开展一些工作。目前主要是通过在碳毡表面进行处理，以及在表面负载一些催化材料，或者将它和其他材料进行复合，取得了比较好的结果，后面我会简单的说一下。

除此之外就是隔膜了，隔膜目前是关键材料降成本最大的点，它的难点，全钒液流的隔膜，既要让钒离子的迁移尽可能小，又希望它的质子电导尽可能高。除此之外，我们还希望它有比较好的化学稳定性和良好的机械强度。改进方法目前有很多，比如说磺化的聚醚醚酮、多孔膜和改性隔膜。除此之外还有磺化的聚酰亚胺膜，和其他在强酸强碱下比较高稳定的材料的混合膜。

我们自己针对这些关键材料的改性开展了工作，在电解液添加剂这块，我们尝试采用丙烷磺酸吡啶嗡盐，进行了改性，也还是取得了比较可以的结果。这个是1.8摩尔，大约是这样比较稳定的。当然我们还有其他的一些添加剂，最后我们是做了2.6摩尔每升，在50度下比较稳定的电解液。除此之外，对于电极这块，我们通过整个电池充放电过程当中，分别研究它正极和负极的反应活性，我们发现负极的反应活性是整个电池的速度控制步骤，在这里我们同时分析了在负极这边应该是二价钒氧化成三价钒的步骤。针对这里我们设计了缺电子型的硼化钛，作为它的催化剂，通过催化剂负载之后电极的电化学表征，我们推测了它当中的催化反应的机理，最后也组装成电池，进行性能的比较。（图）从这里可以看到，如果没有负载催化剂的电极，它是在200毫安每平方厘米的时候，它的能量效率和负载催化剂之后的，在300毫安每平方厘米的电流密度下的能量效率是相接近的。负极催化剂的开发还是有效的提升了整个液流电池的性能。

除此之外，对于隔膜这块我们也开展了一些研究，主要是在2017年以前做的一些工作，通过磺化的聚酰亚胺膜的改性，把它的枝化侧链化改性，提它的离子选择性以及它的稳定性和阻钒性能，同时保持机械稳定性。除了关键材料之外，电堆这块的结构设计，尤其是液流框的结构设计也是提升电堆性能很关键的点。我们在这里也开展了液流框的模拟和分析，实际上也申请了一系列的专利，在组装过程我们也发现单电池的数量，以及碳毡的厚度和压缩比等等因素都会对整个电堆的组装性能有比较大的影响。

为了更好地把材料的性能给表征出来，以及系统的运行过程中，我们更好地去跟踪SOC的精度，对于小的、单电池的设计也开展了一系列工作。在这个基础上，在2018年的时候，在国家重点研发计划项目的支持下，我们组装了45千瓦的电堆，当时是根据项目的技术指标，是140毫安每平方厘米的电密下，它的能量效率是大于78%，这是2018年时的数据，现在有很多性能会比这个高很多。从这里看，整个液流电池储能是有很大的机遇，也面临着挑战，实际上我们作为学术界只能够从提升它的性能方面做一些工作。对于怎么去降本，提升它的性能可以把电堆的成本有效地降下来一些，但是对于电解液这块，有很多产业界的人在做这块的工作，比如说从钒矿到电解液的生产工艺，并且有很重要的一些，在商业上怎么去创新，有人提出说通过租赁电解液等等方式，也可以使得整个储能的成本降下来。

总之，成本的降低，尤其是初次投资成本的降低是目前全钒液流电池储能面临的最大挑战。这是需要学界和工业界共同的努力，我相信通过这种努力能把全钒的液流电池储能成本再进一步的降低。在我2002年开始进到液流储能的领域以来，开展这项工作以来，陆续得到了很多企业的支持，最初是攀钢研究院给我启动的项目，后面像德沃普等都给了我很大的支持，其他的我都列在这了，就不去一一致谢了，对这些企业表示衷心的感谢。

同时，我在这个领域坚持20年，向课题组的老师和历届从事液流电池研究的同学们表示衷心的感谢，也感谢组委会给我这样的机会来分享我对液流储能粗浅的看法。

如果有不当之处，欢迎大家批评指正，谢谢大家的聆听！