文｜經緯創投
隨著光伏與風電的并網量越來越大，儲能也變得迫在眉睫。在并網量還比較小的時候，依賴1-4小時持續供電的磷酸鐵鋰電池，就可以實現削峰填谷，但如果并網量繼續增長，我們會不會急需超過4小時供電的新技術呢？
如果我們極限思考，假設某個地區100%的電力來自于太陽能，但一天的光照時間一般只有8小時，那就意味著另外16小時的供電需求，需要全部依賴電池。如果電池的供電時長只有4小時，那么另外12小時就只能停電了。風電這種間歇性能源也類似。
當然，現在我們不可能100%依賴于太陽能或風能。但碳中和、改善能源結構的大目標存在，光伏、風電等清潔能源的占比在快速提升，長時儲能的概念應運而生。
簡單來說，長時儲能就是指大于4小時，可以實現數天、數月充放電循環的儲能系統。而液流電池，基于特殊的構造與工作原理，被視為最適合長時儲能的電池技術之一。
液流電池（又名氧化還原電池）的技術原理，完全不同于鋰電池等一般的離子蓄電池，液流電池是把能量儲存在電解液里面，而不是一般鋰電池、鉛蓄電池的固體正負極。并且，液流電池的正、負極都是液體的，完全獨立分離放置在堆棧外部，通過兩個循環動力泵，將正、負極電解液通過管道泵入液流電池堆棧中，并持續發生電化學反應。
液流電池的優缺點非常明顯，它的優點是安全性高，可以靈活擴容，循環壽命也非常長，電解液可循環利用。但缺點是能量密度低，初裝成本還比較高。但對于長時儲能的場景來說，這些缺點不算很難克服的問題，而這些優點則非常寶貴。
在液流電池方面，經緯創投參與了中海儲能科技PreA+輪融資，而中海儲能科技累計融資了數億元人民幣。我們認為液流電池市場規模足夠大，各種技術路線未來都會有機會，占據一定的市場空間，我們正在非常積極地跟各類液流電池公司交流，也正在布局整個產業鏈。下面我們就來分析液流電池的應用場景、優缺點，以及全釩、鐵鉻等技術路徑的不同側重，以下：
- 應用于長時儲能的特別技術
- 液流電池多條技術路線哪家強？
1、應用于長時儲能的特別技術
為什么長時儲能需要嘗試別的技術？原來的鋰電池不可以嗎？
如果應用于長時儲能，鋰電池確實有其局限性。其中最突出的問題就是安全性和循環壽命。因為要想增加儲電的容量，鋰電池就必須增加鋰的含量。但鋰是一種比較“暴躁”的金屬，隨著含量的提升，安全性風險就越大。
例如在2021年4月16日中午，北京集美大紅門25MWh直流光儲充一體化電站發生火災，隨后電站北區在毫無征兆的情況下突發爆炸，導致2名消防員犧牲，1名消防員受傷。此次事故過程符合鋰離子電池發生熱失控的典型特征。
特斯拉的Megapack儲能單元也發生過類似的事故。2021年7月30日，澳大利亞一個裝載有13噸鋰離子電池的特斯拉Megapack電池組發生火災，約有150名消防人員正在現場努力控制火勢蔓延至其他電池組。
據不完全統計，在2022年上半年全球就新增了10多起鋰電池儲能電站事故，其中約有80%采用的是三元鋰離子電池，其次是磷酸鐵鋰電池。于是，國家能源局在2022年6月發布了新的規定，對電化學儲能電站的選址和布局做了明確要求，其中明確將三元鋰電、鈉硫電池踢出了中大型電化學儲能的可選方案，對動力電池梯次利用態度是“不宜選用”。
所以對于長時儲能來說，通過增加鋰含量來增大儲電容量是很難的。并且鋰電池還有另一個缺陷，就是循環壽命不夠長。
從技術原理上來看，鋰電池的能量主要靠金屬鋰來存儲，每次充放電時，通過鋰離子的反應來實現，但在這個過程中，會有一小部分鋰生成固體物質，也就是“析鋰”，久而久之鋰在變少，儲電容量也就下降了。
一般鋰離子儲能電池，充放電的循環次數在5000次左右，也就是如果每天滿充滿放一次，可以用14年左右。這對于電動車的動力電池來說足夠了，但對于儲能電站來說并不夠用，儲能電站一般的壽命都是在20年以上，像最傳統的抽水蓄能電站都是按照30-70年壽命去設計。
特別是對于長時儲能來說，還需要考慮鋰電池儲能系統中電芯一致性的問題，那么系統層面的循環壽命往往更低，此外鋰電池的可用容量也會隨著循環次數的增加而明顯下降。
液流電池能夠很好地解決這些問題。
首先，液流電池非常安全。與一般的固態電池不同，液流電池的正極和負極，是以電解質溶液的形式儲存于電池外部的儲罐中，通過正、負極電解質溶液活性物質發生可逆的氧化還原反應，來實現電能和化學能的相互轉化。
簡單來說，就是液流電池的正、負極電解液，才是用來儲存能量的，由于電解液里面是水，沒有有機溶劑，所以不會起火爆炸。
并且液流電池不會有熱量的堆積。鋰電池之所以不安全，很多時候是因為鋰電池產生的熱量無法散出，但液流電池的熱量可以很容易隨著電解液，從電池內部轉移到外部去。所以液流電池無論是BMS，還是一些額外的消防措施，都可以比鋰電池低一個等級，不用太麻煩。
第二，液流電池的循環壽命非常長。由于液流電池中的電極不參與反應，屬于惰性電極，電極和雙極板等材料穩定性好，不涉及更換問題。同時反應過程不涉及相變，所以循環壽命可達1.5萬-2萬次，例如對于全釩液流電池來說，釩在電解液中僅發生價態變化，基本可以完全回收，且生命周期中容量衰減后可完全恢復。
第三，是靈活性。由于液流電池的功率單元與能量單元相互獨立，這就意味著可以根據不同的應用場景，來靈活設計系統功率與儲能時長。
一套完整的液流電池儲能系統，主要是由功率單元（電堆）、能量單元（電解液和電解液儲罐）、電解液輸送單元（管路、泵閥、傳感器等）、電池管理系統等部分組成，其中功率單元決定系統功率的大小，而能量單元決定系統儲能容量的大小，兩者相互獨立。
所以液流電池的功率只取決于電堆大小，容量只取決于電解液儲量和濃度，這意味著可以靈活設計。當需要增大儲電容量時，只需要增大電解液儲罐容積，或提高電解液濃度即可；如果想增大功率，只需要增加電堆功率或是增加電堆數量即可，適應性很強。
當然，由于液流電池的缺點在于能量密度小，所以液流電池的儲能電站一般都會占地面積偏大，選址一般在空曠的郊區。但由于安全、散熱性好，所以可以建得緊湊一些。畢竟相比于能量密度，電站的循環壽命、供電時長更加重要。
如今，液流電池的單次供電時長能到4小時以上，有的甚至能到10小時以上。這樣的時長對于未來大量使用新能源的電網來說，非常合適。
從應用場景的角度來看，液流電池主要用在兩大方向上：一是新能源大型電站配儲。從2021年開始，很多地方政府都開始有硬性要求，風光電站必須要配置10%-20%的儲能設施，并且供電時長要在4小時以上。一般風電或是光伏電站，設計壽命都是在25年左右，液流電池的使用壽命正好也比較契合。
二是電網側的大型共享儲能電站或者調峰電站，類似于抽水蓄能這樣的獨立儲能電站。因為液流電池技術壽命長，30年沒有問題，殘值高，維護成本低，很多特性其實與抽水蓄能接近，所以中期來看可以作為抽水蓄能的補充。
當然，由于動力電池對鋰電池的拉動作用，目前新增的電化學儲能設施中大部分還是磷酸鐵鋰電池。液流電池還未大面積鋪開，所以目前前期投入成本還比較高，但我們看一項技術的前景需要把眼光放長遠，特別是那些能通過規模效應來降低的成本。
2、液流電池多條技術路線哪家強？
目前液流電池主要有全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池等20多種技術路線，目前全釩和鐵鉻技術路線討論較多。
這里技術路線的不同，主要是指電解質溶液主要成分的不同。全釩是相對成熟、項目最多的技術路線，全釩液流電池是一種以金屬釩離子為活性物質的液態氧化還原電池，以+4、+5 價態的釩離子溶液作為正極的活性物質，以+2、+3 價態的釩離子溶液作為負極的活性物質，分別儲存在各自的電解液儲罐中。在對電池進行充、放電時，正負極電解液在離子交換膜兩側進行氧化還原反應。
第二種是以鋅基為代表的技術路線，即把鋅金屬作為電解液中的一種，組成像鋅溴、鋅鐵、鋅錳等鋅基的液流電池。為什么選用鋅基？主要是因為鋅的氧化還原性比較好，并且鋅這種元素也容易獲得。
第三種是鐵基的，比如像鐵鉻，還有全鐵等等，鐵的電化學活性比較好，并且儲量非常豐富，所以鐵鉻液流電池也是比較有潛力的一種。
為什么會出現這么多不同的技術路線？主要還是因為儲能對成本非常敏感，全釩雖然是其中最為成熟、項目最多的技術路線，但它一直有一個很核心的問題，釩的成本非常高，并且產能有限。
從資源的第一性原理上，全釩就存在一定的問題。中國的五氧化二釩產能在十幾萬噸，其中90%應用在鋼鐵行業。而1GWh的全釩液流電池，對應需要0.8萬-1萬噸的五氧化二釩，在目前的釩供應體系下，如果每年全釩液流電池快速上量，釩價必然暴增，并且產能嚴重跟不上，同時也有資源開采能力的問題。
此時就導致產業界去尋找更便宜和易得的金屬元素，來作為液流電池的電解質。
無論是全釩還是鋅基、鐵基，在技術原理上都大同小異，都是通過金屬的得到、失去電子，來實現充電放電。
但有的會出現沉積效應而導致壽命不足。比如鋅基液流電池比較突出的問題就是壽命短，鋅元素在充放電時，會發生鋅單質跟鋅離子之間的轉換，鋅沉積與溶解生成枝晶，而枝晶會刺破隔膜，導致電池的壽命比較短。而全釩液流電池不會出現這種固態析出問題。
此外雖然鋅溴液流電池的優點是能量密度較高，但液溴的揮發性、高毒性、強腐蝕性和易滲透性，也都導致電池在實際容量、循環壽命和安全性方面大打折扣。所以國內最近這幾年，對鋅溴液流電池的研究和市場化都已經不太活躍了。
最近市場上越來越熱的是鐵基液流電池，它主要是鐵的二價、三價之間轉換。鐵基最大的優勢，就在于便宜，因為無論是鐵還是鉻，都在地球中大量存在。
但鐵基也有自己的問題，就是它的電化學活性比較差，所以功率密度弱一些。這也就意味著相同的功率密度，比如都是5000瓦的電堆，全釩可能只需要鐵基電池的1/2-1/3 大即可，這樣電堆部分的成本就低。同時，鐵基的能量效率比較低，相比于全釩要低10%左右。
鐵鉻液流電池有著波折的發展歷史。它最早由美國國家航空航天局（NASA）于1974年提出，后來在20世紀80年代，NASA將鐵鉻液流電池作為“moon project”的一部分，轉讓給日本。日本新能源產業技術開發機構（NEDO）隨后于1984年和1986年推出了10KW和60KW的鐵鉻液流電池系統原型樣機。同期中國科學院大連化學物理研究所在1992年成功開發出270 W的小型鐵鉻液流電池電堆。
但是，由于鐵鉻液流電池的關鍵問題——陰極析氫與電解液離子互混，長期得不到解決，研究也一度止步，行業研究熱點也轉向了全釩液流電池。此后很長一段時間內，鐵鉻液流電池一度被認為是已經淘汰的技術。
直到國家電投集團再次將其拉回人們的視野，他們采用鐵、鉻離子混合溶液作為電解液，應對正負極鐵鉻離子互串問題；通過電極催化劑負載，應對負極在充電時的析氫問題；通過在電池中設計安裝再平衡系統，有效解決了電池容量衰減問題，極大提高了鐵鉻液流電池的實際使用壽命。
如今也有頭部創業公司，針對鐵鉻液流電池的傳統問題，實現了技術突破。例如對于析氫問題，中海儲能就基于自由基的量子點沉積技術，大幅度提高電極表面的催化劑沉積水平，使催化劑實現的納米沉積，大幅降低了潛在的析氫反應。
這些技術迭代，保證了鐵鉻液流電池在享受低成本的同時，不至于綜合性能被削弱。
如果進行成本測算，針對100MW / 400MWH，25年循環壽命周期測算，一天一充一放，鐵鉻液流電池最為便宜，初裝成本在7億左右，年后續維修成本約千分之三，LCOE（平準化度電成本）差不多在0.2水平。而鋰電池受制于5000次循環壽命，25年間最少應更換一次電芯，而電芯成本占總成本60%，所以LCOE將會在0.3左右。全釩液流電池因為釩元素比較貴，會顯著高于鐵鉻，并且略高于鋰電池。全釩還有一個不確定因素是，五氧化二釩的價格是否會因產能不足而飆升。
所以綜合來看，鐵鉻液流電池在解決了傳統的析氫、反應活性等問題之后，是一項非常有潛力的技術路線。
近年來，液流電池的落地項目也在快速增多。2022年5月，在遼寧大連，一座大型全礬液流電池儲能電站的一期工程，成功并網投運。這座電站目前是全球最大的液流電池儲能電站，儲電規模達到800兆瓦時，這相當于4000個家庭一個月的用電量。2022年2月，國家電投的“容和一號”鐵鉻液流電池的第一條量產產線投產。
這些落地項目的實際運營數據，將給液流電池帶來更加真實的發展路線圖。
目前儲能業界存在幾大共識，一是鋰電產業鏈還是最成熟的，也是綜合性價比最高的，所以今年下半年新上的儲能項目中，鋰電還是會占到85%以上，但對于其他長時儲能技術，誰越快接近鋰電的價格，誰就會越快得到市場關注。
二是在新能源占比達到15-20%之后，4小時以上的長時儲能需求成為剛需。目前在西北等風光電占比高的地方，4小時已經成為真實需求。美國在加州等光伏占比高的地區，已經在上6-8小時的儲能，來進行調峰。而能夠實現長時、大容量儲能的3個主要方向，就是抽水蓄能、空氣壓縮、液流電池，其中液流電池是唯一比較適合大規模發展的技術，并且在交換膜、電堆、電解液等關鍵設備上，基本實現了國產化。
三是隨著儲能場景的多元化，會有不同技術的并存。長期來看，隨著新能源逐步成為電力系統的主體，儲能的應用場景也會有很多，功率范圍將涵蓋kW級的用戶側場景，到GW級的發電側、電網側場景，儲能時長則從秒級、分鐘級、小時級到跨日、跨季不等。考慮到不同場景的儲能需求有很大差距，未來會有多種儲能技術并存，共同支撐電力系統的安全與穩定。
麥肯錫在2021年底預測，長時儲能的潛在市場空間將從2025年開始大規模增長，主要是因為隨著可再生能源占比提升，2025年長時儲能全球累計裝機量將達到30-40 GW（對應儲能容量約1TWh），累計投資額約500億美元。
液流電池作為有短板，但長板足夠長的技術路線，將趕上新能源賽道的爆發期，在長時儲能方面對鋰電形成挑戰。
References：
國泰君安：儲能行業全鐵體系為液流電池儲能產業發展帶來新希望
國泰君安：鐵鉻液流電池儲能技術產業向前邁進，源廣流長，“鉻”顯神通
中泰證券：全釩液流電池兼顧全周期成本與安全，有望在儲能領域快速增長
安信證券：全釩液流電池儲能專題，海闊天空，不同“釩”響
開源證券：液流電池前景廣闊，鐵鉻方案或成為主流路線之一
西部證券：鐵鉻液流電池行業專題報告，鷹擊長空，“鉻”有不同
光大證券：安全穩定、壽命長，釩電池長時儲能空間廣闊