全铁液流电池有望带来液流电池的新技术突破

浩博电池网讯：“液流电池易模块化、时长灵活、安全且无地域限制，适用于长时、大规模储能，有望满足新型电力系统对储能提出的所有要求。”

  中国科学院院士、南方科技大学碳中和能源研究院院长赵天寿多次在公开场合肯定液流电池在储能大市场中的重要价值。

  唱多液流电池的不仅赵天寿一人，包括中国科学院院士叶志镇、中科院大连化物所研究员张华民等在内的诸多权威专家，均一致看好液流电池储能的发展前景。

  特别是近几年来，液流电池储能的发展显著提速，风险资本开始进入、项目应用明显增加、技术路线开始进一步分化。

  在技术路线上，除了发展历史较为悠久的钒电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池外，全铁液流电池、锌铁液流电池、水系有机液流电池等新技术亦开始崭露头角。

1、液流电池需要低成本新材料

  目前，在液流电池的技术体系内，针对全钒液流电池的研究和应用最为广泛和成熟。

  中科院金属研究所研究员严川伟认为，钒电池的技术与成本已接近满足商业发展要求，并已形成了比较完整的基本产业链；钒的资源也足够丰富，但产业链的主要问题在于钒市场与钒电池储能产业不相容，难以有效支撑产业启动和发展，是产业链最薄弱和受制约的环节。

  严川伟所说的不兼容指的是：钒电池储能系统对钒的需求量很大，但钒的获取主要来自钢铁冶金的副产物，产量受钢铁产能的限制；钒的成本在钒电池系统中占比50%以上，钒的价格波动对系统成本的影响巨大。

  张华民更是直言，五氧化二钒价格最终得稳定在10-12万/吨；如果超过15万/吨，全钒液流电池产业很有可能会夭折。

  这时，一种成本更为低廉、资源优势更为明显的全铁液流电池开始受到人们的广泛关注。

  全铁液流电池的技术发展最早可追溯到1981年，美国科学家Hruska和Savinell提出了全铁液流电池的概念，其正负极活性物质为不同价态的含铁化合物。

  全铁液流电池采用的电解液原材料铁的资源丰富，价格便宜且常年保持稳定，不会出现短期内资源制约产业发展的情况。

  上海电气储能科技有限公司总经理杨霖霖日前也称：全铁液流电池的价格将是全钒液流电池的1/3，可对目前的液流电池实现大幅降本。

  显然，全铁液流电池除了拥有液流电池的相关优势外，铁的廉价易得更让其弥补了钒电池的关键短板。当前，液流电池储能系统的初装成本普遍过高，是阻碍其产业化发展的最大障碍。全铁液流电池在初装成本上将因此得以大幅下滑，打破这一屏障。

 2、碱性全铁液流电池出圈

  全铁液流电池分为酸性金属沉积型和碱性络（螯）合物全溶性两种体系。

  长时间以来，很多人的全铁液流电池观念还停留在传统酸性全铁液流电池的固有印象中。

  酸性条件下，铁负极涉及到金属铁的沉积反应，然而液相与金属相的转化反应一般都会存在金属枝晶的问题，金属铁在电极中沉积并附着在电极上时易形成枝晶，枝晶会在电池隔膜方向累积并最终刺穿隔膜，引起电池短路；同时在酸性条件下，铁负极Fe²＋/Fe电对的标准电位与析氢反应的电位接近，导致析氢反应成为酸性全铁液流电池中一个比较严重的副反应。

  也就是说，酸性全铁液流电池在反应过程中会生成枝晶与氢气，影响其循环寿命，为大家所诟病。

  为避免以上问题，国内研发团队另辟蹊径——开启碱性络（螯）合物全溶性全铁液流电池的研究。

  与传统的酸性不同，碱性全铁液流电池采用碱性水溶液体系，析氢不易发生，络合物与铁结合后可调控铁离子/亚铁离子的氧化还原电位，使得不同铁络合物配对产生电位差（电压）；铁络合物一般为可溶性物质，因此可有效消除沉淀与枝晶生成问题；通过对络合物的亲水性设计有利于提升溶解度，从而提高电池能量密度。

  2022年7月，中科院大连化物所的研究人员通过将铁/葡萄糖酸亚铁与[Fe(CN)₆]³-/[Fe(CN)₆]⁴-偶联，提出了一种低成本的碱性全铁液流电池方案。铁-葡萄糖酸亚铁在碱性介质中具有较高的电化学活性和溶解度，从而使电池在电流密度为80mA/cm²的情况下，可以连续充放电950次(530h)，库仑效率超过99%，能量效率约为83%，且没有明显的容量衰减。

  此外，以巨安储能武汉科技有限责任公司（以下简称巨安储能）为代表的企业也在专注于新型碱性全铁离子液流电池的研究及产业化。巨安储能提出特异性螯合物，采用超稳定配体分子，电池可实现充放电循环20000次以上；而且在其碱性体系中，充放电过程几乎不析出氢气，电池更安全更稳定。

3、“鱼和熊掌”可兼得？

  “既保留了全铁液流电池低成本材料的优势，也提高了性能与稳定性。”

  碱性全铁液流电池何以兼得？

（摘自巨安储能总经理孟锦涛报告）

  这个技术难题，事实上并不容易解决。早期，传统配体分子如TEA和TiPA等与铁离子的结合能力较弱，在充放电过程中，配体分子脱离即会导致铁的沉积和析氢的副反应。因此，配体分子选择与设计至关重要。

  由于配体分子本身不参与氧化还原反应，而是由铁离子在充放电过程中失去或获取电子，因此配体本身的稳定性是较容易实现的；主要挑战在于铁与配体分子之间的强结合力，因此对铁与配体分子之间的相互作用研究是关键点。

  从2016年开始，巨安储能技术团队已经着手对全铁螯合物材料进行深度开发。其研发团队几乎全天候进行实验，开发了上百种螯合物分子，并使用分子模拟平台进行不断迭代设计。同时，该团队还研究了多种金属配体分子，不仅与铁配位，还研究了锰、钴、铬等金属离子的配位效果。

  经过定向开发的配体，其与铁离子的结合能力得到了大幅提高，在充放电过程中不会分解。巨安储能称之为特异性铁螯合物。这种特异性设计确保在上万次充放电循环中，电池容量保持率可以接近100%。

  同时，螯合物的特异性设计可显著提高活性材料的反应速率，比传统铁离子提高了将近两个数量级。在80%能量效率下，新型碱性全铁液流电池可以实现高达150mA/cm²的电流密度，而传统全铁液流电池只能达到20mA/cm²到80mA/cm²。这样既保留了全铁液流电池低成本材料的优势，同时也提高了性能。

4、碱性全铁液流电池的应用与产业化之路

  “酒香也怕巷子深”，想要将兼具低成本和高性能优势的新型碱性全铁液流电池推向市场，需要技术创新、智能制造、资本与市场的多轮驱动。

  目前，全铁液流电池技术已初步实现商业化应用，已成功投运多个百千瓦级至兆瓦级的新型全铁液流储能系统，今年已入选国家能源局第三批能源领域首台（套）重大技术装备。

  “五大六小两网两建”等能源央国企也先后启动全铁液流电池储能电站项目的开发，中广核、中电建、湖北省新能源等企业的五个全铁液流电池储能电站项目已纳入湖北省2023年新型储能电站试点示范项目名单，总规模达240MW/680MWh。

  在用户侧，湖北黄石华创科技园80kW/80kWh全铁液流储能示范项目已于2022年12月投入使用。另外，250kW/1MWh、1MW/2MWh碱性全铁液流电池储能系统也相继并网测试。

  2023年7月，中广核公安县狮子口镇200MW/800MWh铁基液流电池储能电站、中电建英山100MW/400MWh铁基液流储能电站(风光储一体化)成功入选国家能源领域重大技术装备首台(套)第三批示范应用项目。

（国家能源局公示名单）

  2023年9月20日，碱性全铁液流储能电解液年产60万吨基地项目签约落户黄冈。项目建成后，预计实现年产60万吨的全铁液流系统电解液规模，可满足10GWh以上的全铁液流储能电站的正负极电解液需求，其中一期项目将于2024年投产，年产能为20万吨。

  由此可见，碱性全铁液流电池的技术成熟度与量产能力已经向GWh迈进，这或许也得益于全铁电解液低成本与材料易得的特点。在全钒液流电池快速发展的同时，碱性全铁液流电池采用与钒电池通用的电堆结构，常温运行，且无需特殊的催化剂，这使得全铁液流电池可以在商业化道路上快速发展，或将带来一场液流电池的新技术革命。

【责任编辑:孟瑾】