瞻觀前沿

近日，中國科學(xué)院金屬研究所李瑛研究員與唐奡研究員團(tuán)隊(duì)，在新型低成本鐵基液流電池儲(chǔ)能技術(shù)研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究人員以鐵負(fù)極氧化還原反應(yīng)可逆性為切入點(diǎn)，通過電極界面缺陷設(shè)計(jì)和極性溶劑調(diào)控，成功實(shí)現(xiàn)了充放電過程中鐵單質(zhì)在電極纖維表面的均勻沉積和溶解。

在諸多新型儲(chǔ)能技術(shù)路線中，以全釩液流電池為代表的液流電池儲(chǔ)能技術(shù)，因其本質(zhì)安全、可靈活部署，已成為長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)中的首選電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)路線，其中，研發(fā)低成本液流電池新體系新技術(shù)，是解決現(xiàn)階段液流電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展瓶頸的有效途徑。

研究人員介紹，他們通過在電極界面進(jìn)行金屬刻蝕處理，使得電極纖維表面富含缺陷結(jié)構(gòu)，有效調(diào)控了Fe2+離子在電極界面的沉積反應(yīng)成核特性，促進(jìn)了鐵沉積反應(yīng)均一性及氧化還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，并利用理論計(jì)算和仿真分析揭示了Fe2+在碳缺陷處的雜化作用增強(qiáng)機(jī)制及鐵沉積過程演化規(guī)律。得益于此，研究團(tuán)隊(duì)組裝的全鐵液流電池實(shí)現(xiàn)了每平方厘米80毫瓦的功率密度和250圈循環(huán)99%的電流效率，循環(huán)穩(wěn)定性有效提升了10倍。

研究結(jié)果證明，電極界面優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效提升鐵負(fù)極性能，為實(shí)現(xiàn)全鐵液流電池高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了新途徑。

此外，研究人員通過在溶液中引入極性溶劑，利用極性分子與氫鍵的相互作用，成功弱化了溶液的水合氫鍵網(wǎng)絡(luò)，將電解液凝固點(diǎn)有效降低到零下20攝氏度以下，且協(xié)同提升了鐵負(fù)極電化學(xué)可逆性，首次實(shí)現(xiàn)了全電池在零下20攝氏度的低溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行100小時(shí)。據(jù)悉，該研究結(jié)果為寬溫域全鐵液流電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)化開發(fā)與應(yīng)用推廣奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

圖片來源：攝圖網(wǎng)

技術(shù)價(jià)值觀察

全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈上游主要涉及釩資源的開采與冶煉，中游則進(jìn)行全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造，包括功率單元(電堆)與能量單元(電解液)兩大部分，下游主要為儲(chǔ)能項(xiàng)目的開發(fā)和運(yùn)營。由于下游儲(chǔ)能市場可選擇技術(shù)路徑較多，且當(dāng)前電化學(xué)儲(chǔ)能主力仍為鋰離子電池，全釩液流電池的增長目前對下游影響較小，產(chǎn)業(yè)變化主要集中在上游和中游。

全釩液流電池是一種儲(chǔ)能電池。研究人員在新型低成本鐵基液流電池儲(chǔ)能技術(shù)取得新突破，為實(shí)現(xiàn)全鐵液流電池高效穩(wěn)定運(yùn)行提供了新途徑。因此，從全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈上看，該技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游環(huán)節(jié)。

宏觀市場觀察

——全釩液流電池優(yōu)劣勢分析

全釩液流電池具備安全性高、擴(kuò)容性強(qiáng)、循環(huán)壽命長、全生命周期成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前商業(yè)化較為成熟的液流電池，在長時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域大有可為;但項(xiàng)目初始投資成本、上游原材料成本、能量轉(zhuǎn)換效率等因素也在一定程度上限制了全釩液流電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

——全球全釩液流電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前液流電池仍處于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展初期，占比相對有限。根據(jù)CNESA的統(tǒng)計(jì)，截至2022年底全球新型電力儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模中鋰離子電池占比處于絕對主導(dǎo)地位(約94.4%)，液流電池僅占0.1%。

近年來，全球全釩液流電池已開始逐步走向工程示范與商業(yè)化應(yīng)用，且單個(gè)項(xiàng)目規(guī)模呈逐漸擴(kuò)大趨勢。

——全釩液流電池需求及應(yīng)用情況

全釩液流電池的適用領(lǐng)域主要為大規(guī)模、長周期的儲(chǔ)能場景。相較于抽水蓄能、鋰電池儲(chǔ)能，具有選址靈活、安全性高的優(yōu)勢。

2021年10月24日，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》提出：到2025年，新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量達(dá)到3000萬千瓦以上。2022年1月，國家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《十四五新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》進(jìn)一步明確了到2025年新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)?；l(fā)展階段、具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件，2030年新型儲(chǔ)能全面市場化發(fā)展的目標(biāo)。根據(jù)融科儲(chǔ)能公司官網(wǎng)，全釩應(yīng)用電池可在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)與用戶側(cè)廣泛應(yīng)用。

——中國全釩液流電池市場規(guī)模及預(yù)測

當(dāng)前全釩液流電池在新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模中的占比不到5%，依此測算出2022年全釩液流電池新增裝機(jī)容量約為0.5GW。未來，全釩液流電池有望憑借自身安全、長壽、靈活的多重優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)份額的持續(xù)提升，據(jù)機(jī)構(gòu)預(yù)測，到2030年國內(nèi)全釩液流電池新增裝機(jī)規(guī)模有望達(dá)到93GWh，發(fā)展空間巨大。

——全球全釩液流電池市場規(guī)模及預(yù)測

據(jù)Emergen Research分析，2022年全釩液流電池全球市場規(guī)模約為2.42億美元，得益于全球?qū)Νh(huán)保電池解決方案以及儲(chǔ)能系統(tǒng)的需求推動(dòng)，預(yù)計(jì)到2028年市場規(guī)模將以19.9%的年復(fù)合增長率增長，有望達(dá)到7.2億美元。

中國儲(chǔ)能電池技術(shù)賽道熱力圖

根據(jù)產(chǎn)業(yè)熱力圖顯示，與儲(chǔ)能電池關(guān)鍵技術(shù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的城市集群主要集中在華南地區(qū)，并且以深圳市為重點(diǎn)發(fā)展區(qū)域，未來布局儲(chǔ)能電池技術(shù)及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展路徑，極大可能性在于華南地區(qū)優(yōu)先導(dǎo)入，其中可重點(diǎn)關(guān)注廣東省深圳市龍華區(qū)、寶安區(qū)、坪山區(qū)所處儲(chǔ)能電池的相關(guān)企業(yè)，以及該地方對于儲(chǔ)能電池的產(chǎn)業(yè)發(fā)展投資環(huán)境、供給市場的潛力空間。

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