中國儲能網訊：全釩液流電池作為發(fā)展得最為成熟的液流電池，其在儲能方向上的發(fā)展十分迅速，這也很大程度上是由于其儲能能量大、充放電性質優(yōu)良、輸出功率可調、安全性能高、壽命長、選址自由、環(huán)境友好、運維成本較低等特點，使得其較傳統鉛酸電池以及新型鋰電池具有強大的長時儲能優(yōu)勢，其基本原理圖如下所示。
Source: International Renewable Energy Agency, based on Linden and Reddy, 2002.
而在我國，據鈦媒體2021年不完全統計，目前全釩液流電池成本大約在3-3.2元/Wh，與之對比鋰電池的平均成本可能僅為1.2-1.5元/Wh，約為全釩液流電池成本的40%左右。雖然全釩液流電池已具備技術以及安全性優(yōu)勢，全釩液流電池在前期的較高成本在一定程度上限制了其產業(yè)化發(fā)展，使得其商業(yè)化進程依舊比較緩慢，但隨著技術發(fā)展伴隨的成本降低，以及其后期較低的維護成本依然使其具有強大吸引力。據有關機構測算，伴隨著全釩液流電池技術與產業(yè)化的逐步展開，其成本有望在2030年降低至2元/Wh，大幅實現成本降低。
全釩液流電池結構示意圖
以一基本的儲能規(guī)模為10千瓦/120千瓦時的全釩液流電池為例[1]，其成本主要包括三個幾乎相等的部分：電堆成本、電解質成本以及周邊設備成本，其主要組成部件包括質子交換膜、電極材料、雙極板材料、集流體、活性電解液及電解液缸、催化劑等。公開資料顯示，釩電解液是全釩液流電池系統中的核心材料之一，在系統成本占比中達到40%以上，其性能將直接影響到電池系統的工作效率、運行工況和使用壽命等；而電堆成本占全釩液流電池總成本的35%以上，其中主要成本源于離子交換膜的成本，其它構件成本占比25%左右，其具體成本構成可參考下圖。
據國際再生能源機構IRENA預測，液流電池的總安裝成本到2030年可下降三分之二。據其公布的數據顯示，2016年時，全釩液流電池的總安裝成本為315美元/千瓦時，到2030年有望下降至108美元/千瓦時，而全釩液流電池總成本預計不會超過360美元/千瓦時。液流電池初期成本高，但其服役周期長，其電池通?？梢匝h(huán)超過10000圈，因此長期而言，液流電池依然在成本上具有很大優(yōu)勢。有研究表明[2]，全釩液流電池在年發(fā)電量約為10 GWh的情況下，可以實現降低成本至120美元/kWh（不包括安裝成本）這一途徑是可行的。
目前而言，對于降低全釩液流電池成本的路徑主要從以下方面考慮：
（1）提高材料化學循環(huán)穩(wěn)定性：在液流電池結構中的電解液材料、電極材料以及隔膜材料的化學穩(wěn)定性都有助于延長液流電池系統使用壽命，有助于系統整體成本的降低；
（2）降低材料成本：降低全釩液流電池系統中所主要使用的活性氧化還原物質、電解液以及電池堆材料等的成本，也是實現系統整體降本的重要手段；
（3）提高系統整體性能：包括提高薄膜電導率，促進電極催化反應動力學過程，提升反應活性，從而在固定能量輸出的情況下，實現電池堆尺寸的降低。據有關文獻報道[3]，通過對液流電池整體性能調控，可以實現能量密度由15Wh/L-70Wh/L提升至117Wh/L。
在離子交換膜材料方面，目前商業(yè)領域主要用于液流電池的是杜邦公司所生產的Nafion質子交換薄膜，Nafion薄膜以磺酸基團為交換基團作為全釩氧化還原液流電池的標準隔膜，其在電解液中的穩(wěn)定性高，但由于存在釩離子滲透率較高、不易降解等缺陷，尤其是其昂貴的價格在限制了液流電池的進一步發(fā)展。因此，目前在離子交換膜方面降本的策略主要是著力于降低薄膜電阻，減輕釩離子滲透，提高液流電池用質子交換膜的性能，避免活性物質污染以延長離子交換膜使用壽命以及整體系統性能提高，以實現液流電池成本降低。
在活性物質方面，由于全釩液流電池其活性物質主要為不同價態(tài)的釩離子，并且使用水作為電解質溶劑。據美國地質勘探局USGS數據，全球已探明釩礦儲量共計2200萬噸，其中中國儲量達950萬噸，占總比重的43%；俄羅斯和南非分列二三位，分別占全球釩礦儲量的23%和16%，并且目前中國釩礦產量占世界總產量62%，釩礦產量與儲量都相對豐富，這也是我國與西方國家在液流電池路線選擇上，我國更加推崇全釩液流電池體系的原因，而西方國家受制于釩礦儲量更傾向選擇發(fā)展性能一般的鋅溴液流電池體系，因此嘗試在釩礦資源上降本也是降低全釩液流電池整體成本的一個手段。此外，在全釩液流電池成本降低的途徑中也有其它方法可以采取。例如液流電池系統可以通過集成堆棧的方式以實現成本降低；此外，也可以通過使用鹽水電解質，在損失一定性能的前提下，達到成本的有效降低，即構建鹽水電解質電池儲能系統，以實現液流電池成本降低。下面將依據公開資料對世界上的主流全釩液流電池生產商進行一定分析，對其所提及的降本及性能優(yōu)勢進行一定總結與梳理。
下一代液流電池儲能系統開發(fā)商聲稱WattJoule在2020年的產品ElectriStor Gen1已經實現了200美元/千瓦時的價格，僅為市場價格的三分之一，并且在其將要推出的第二代和第三代產品中，伴隨著能量密度以及效率的大幅度提高，釩電解液成本的不斷降低，其產品價格將分別下降至150美元/千瓦時和100美元/千瓦時。根據其公開資料表示，與市場上全釩液流電池用釩電解液能量密度低，溫度范圍有限，需要主動冷卻設備，并且需要昂貴的高純度釩相比，WattJoule釩電解質實現了電解質能量密度的提升，不需要昂貴的冷卻設備，并且在保證相同能量輸出的情況下，實現釩的用量、要求純度的逐代降低，從而實現整體成本的大幅度降低。
ElectriStor 參數指標及價格
WattJoule通過提高電解質存儲能量密度和輸出功率密度實現了系統安裝成本和占地面積的減少，工作溫度范圍的改善和增大減少了全釩液流電池系統中空調、冷卻機等設備的使用，從而實現系統成本、運營成本的整體降低。WattJoule的釩電解質通過先進的利用途徑將其要求純度降低，其目前可實現對工業(yè)級別純度釩的直接使用，實現了電解液生產工藝的簡化與升級，使其電解液制造成本顯著降低，這也被其描述為商業(yè)機密般的純化工藝。另外，在其官方披露的其產品核心競爭力主要包括：液體電解質、能量轉換堆棧、芯材套裝以及系統配套軟件四個方面?？梢钥闯?，目前在學術界的理論分析和一些公司的宣傳策略上所展示的成本遠低于實際招投標的裝機成本（大于3000元/KWh)，這也意味著全釩液流電池在實現規(guī)?；a后還存在巨大的降本空間，這些低成本數值更是預示著未來可能的成本極限以及全釩液流電池巨大的應用推廣潛力。
WattJoule電解質生產流程示意圖
日本專注于做液流電池的公司LE SYSTEM Co., Ltd.也在其公開資料中強調其生產的全釩液流電池最大優(yōu)勢就是通過其原創(chuàng)技術實現對工業(yè)廢棄物中的釩進行有效回收以及高效利用，從而大幅度降低其成本。其主要通過對石油焦炭發(fā)電廠中的電除塵煤灰（EP soot）中的偏釩酸銨進行回收提純，具體方法是采用還原爐煅燒的方法去除偏釩酸銨生料中的雜質得到四氧化二釩，并隨后在還原缸中進行二次還原與提純，得到3.5價的釩電解質。
VRB Energy在其公開資料中表示其所生產的產品VRB-ESS具備世界上最先進的釩氧化還原電池技術。其核心技術包括專有的低成本離子交換膜和雙極材料、長壽命電解質配方以及創(chuàng)新的流通池設計。VRB Energy聲稱其技術進步顯著降低了核心電池組組件的成本，其生產的第五代電池堆設計具有先進的流場設計，可優(yōu)化電解液在電池堆中的分布，實現整體效率提高以及材料利用的優(yōu)化。其聲稱專有的電解質配方專為低成本制造、最佳性能和長壽命而設計，因此可以在保證性能的同時，大幅度實現系統成本的降低。并且其第二代 VRB-ESS 與以前安裝的系統相比，成本降低了35%，占地面積減少了50%，性能提高了10%。
中國GEC金能科技則在其公開資料上聲稱其擁有世界領先的全球超高性價比儲能釩電池專利技術，在釩電池用全氟離子膜、電極、電堆、電解液以及釩電池全系統模塊化方面有著巨大的技術優(yōu)勢、產品優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。GEC通過自主研發(fā)的溶液鑄膜法實現全氟離子交換膜生產，并且技術工藝簡單、生產設備便宜、可實現全氟離子交換膜的再生循環(huán)利用、膜成本低、結晶度高、拉伸模量大、各向同性、壽命長，可以很好地應用于全釩液流電池，并降低成本。其生產的高性能全釩液流電池通過技術創(chuàng)新實現其流阻低、電阻低、電流密度高、功率密度高、工作溫度寬、無需換熱器、能量效率高、模塊化程度高、生產成本低、使用壽命長、全壽命成本遠遠低于鉛酸、鋰電等傳統電池。其生產的高性能釩電解液采用獨特的生產配方，可以制得高電導率、寬工作溫度、無需換熱器、高穩(wěn)定性、充放電過程釩離子遷移少液位變化小等優(yōu)勢，可以極大程度上降低成本，并且這些技術都申請了相應發(fā)明專利。
西班牙公司HydraRedox聲稱其開發(fā)了一種全新的釩氧化還原方法，可以克服了傳統氧化還原流動技術的缺點和局限性，進而大規(guī)模降低其成本。其全釩液流電池體系技術采用高度定制化模式，其預計壽命高達其他技術壽命的 3 倍，并且具有卓越的性能特征，可以大幅度降低成本。
Power Stac在官方資料中強調其生產的全釩液流電池體系可以在較低成本和較長壽命的前提下實現持續(xù)穩(wěn)定供電。在其產品數據上可以發(fā)現其電解質工作溫度較行業(yè)水平更寬，達到-30-60攝氏度，正如我們提到的，這可以帶來冷卻設備的減少使用，這也可能是其成本具有一定優(yōu)勢的原因。
StorEn Technology聲稱其全釩液流電池可以實現以最低的成本或周期提供最高的功率密度。其宣稱所生產的電池組的功率密度，遠高于當前的技術水平。其團隊開發(fā)的MULTIGRIDS創(chuàng)新流動設計系統可將電池動力側的成本降低 50% 以上，同時通過在較低壓力下運行來保持電池組運行的可靠性和持續(xù)性。并且在其公開資料上提到，其所掌握的電池技術和專利結合其專有的電池管理系統 (BMS)可以使得電池后期幾乎免維護，從而很大程度上降低了電池維護成本。并且其開發(fā)的Multigrids系統可以消除全釩液流電池系統中擴大液流電池堆尺寸的主要技術障礙的“過度充電”現象，避免大量小型電池組堆疊所導致的系統復雜性和成本的提高，實現構建具有數千安培電流的大型TITANstack堆棧，因此其技術創(chuàng)新極大程度減輕了系統的復雜性，并顯著降低了成本。
中國全釩液流電池制造商融科儲能是中國較為重要的全釩液流電池生產商之一。其資料顯示，融科儲能公司持續(xù)著力在高性能電池材料技術（電解液、雙極板、離子膜等）、高功率密度電堆技術、高效率電池系統技術等方面的創(chuàng)新研發(fā)，從其公開資料上其技術創(chuàng)新點的特有優(yōu)勢并未進行相關公示。但其宣稱其下設大連融科儲能裝備公司已建成全球規(guī)模最大、現代化程度最高的全釩液流電池儲能裝備生產基地，并且融科儲能已成為全球領先的全釩液流電池全產業(yè)鏈開發(fā)、完整自主知識產權及高端制造能力的服務商。中國全釩液流電池制造商融科儲能的產品TPower也在運行溫度上得到改善，據其公開資料顯示，其工作溫度為-35-40攝氏度，其它兩款產品的運行溫度都相對較窄，與Visblue資料所顯示的-40-50攝氏度的運行溫度，以及更高的效率相比還有一些發(fā)展空間。
Largo公司在其公開資料顯示其全釩液流電池產品的核心競爭力在于專有的 VRFB 電解液處理技術專利、業(yè)界領先的液流電池堆技術以及高純度釩產品供應。其公開資料顯示，其獨有的專利純化工藝解決了典型 VRFB系統中的幾個技術障礙，并且Largo 擁有世界上品質最高的釩資源礦場之一的Maracás Menchen礦場，是世界上成本最低的釩初級生產商之一，從而帶來真正的成本優(yōu)勢。其所生產的VCHARGE系統包含的高性能液流電池可將核心電池材料減少5倍，從而顯著節(jié)省成本并在任何已知液流電池中占用最小的空間。并且其VCHARGE系統允許通過多種配置將電力和能源與項目要求相匹配，其垂直堆疊設計允許在相同的占位面積內實現 2 倍的功率或能量密度，具有顯著的成本優(yōu)勢，遠遠領先現在的儲罐水平。此外，其系統的鋼制容器設計為電池提供強大的保護，防止天氣、紫外線降解和破壞，以防止電池堆在長期應用時成本優(yōu)勢退化，從而帶來顯著的成本優(yōu)勢。
VANEVO公司的降本策略則主要集中在堆棧技術的創(chuàng)新。VANEVO全釩液流電池堆棧通過取消密封元件，避免使用用于支撐的大型端板，因此堆棧質量明顯更輕，并且其堆棧是通過膠合而非壓制的方式，這種方式可以經濟高效地生產 VANEVO 電池組，這也是其多項核心專利的主要技術內容，由于零配件使用的減少以及自動化生產的實現，其成本大幅度降低。
Voterion公司所生產的Volterion powerRFB 也是將發(fā)展重心投入在堆棧的研究上。據公開資料顯示，Volterions堆棧具有專有的設計和制造工藝，其堆棧與采用墊圈的傳統堆疊不同，而是利用高精度激光焊接工藝進行堆疊。墊圈往往會隨著時間的推移而凝固并因此可能導致泄漏，但 Volterion 電池組通過新的工藝使其具有非常優(yōu)越的密封性能。并且由于密封墊圈不需要壓縮力，可以減少 Volterion 電池組中較為昂貴的端板使用，從而在實現緊湊、輕便、安全可靠的同時，具有非常具有優(yōu)勢的成本效益。此外，每個Volterion堆棧都有一個專用的電子堆棧監(jiān)控系統，該系統配置在堆棧內部，以確保最佳操作條件，并保證較長的使用壽命。
總而言之，全釩液流電池的降本之路是其在儲能領域快速發(fā)展的重要一步，目前的總體策略主要是通過提高材料化學循環(huán)穩(wěn)定性、降低材料成本以及提高系統整體性能等方式進行成本控制，在技術不斷進步的同時，我們對全釩液流電池技術未來在儲能領域所發(fā)揮的作用持有非常積極的態(tài)度。
參考資料：
[1] Darling, R. M., Gallagher, K. G., Kowalski, J. A., Ha, S. and Brushett, F. R. (2014) ‘Pathways to low-cost electrochemical energy storage: a comparison of aqueous and nonaqueous flow batteries’, Energy Environ. Sci., vol. 7, no. 11, pp. 3459–3477 [Online].
[2] Minke, C., Kunz, U. and Turek, T. (2017) ‘Techno-economic assessment of novel vanadium redox flow batteries with large-area cells’, Journal of Power Sources, vol. 361, pp. 105–114 [Online].
[3] Fan, L., Jia, C., Zhu, Y. G. and Wang, Q. (2017) ‘Redox Targeting of Prussian Blue: Toward Low-Cost and High Energy Density Redox Flow Battery and Solar Rechargeable Battery’, ACS Energy Letters, vol. 2, no. 3, pp. 615–621 [Online].
