随着光伏与风电的并网量越来越大，储能也变得迫在眉睫。在并网量还比较小的时候，依赖1-4小时持续供电的磷酸铁锂电池，就可以实现削峰填谷，但如果并网量继续增长，需要超过 4 小时供电的新技术。
如果我们极限思考，假设某个地区100%的电力来自于太阳能，但一天的光照时间一般只有8小时，那就意味着另外16小时的供电需求，需要全部依赖电池。如果电池的供电时长只有4小时，那么另外12小时就只能停电了。风电这种间歇性能源也类似。
碳中和、改善能源结构的大目标存在，光伏、风电等清洁能源的占比在快速提升，长时储能的概念应运而生。简单来说，长时储能就是指大于4小时，可以实现数天、数月充放电循环的储能系统。
液流电池，基于特殊的构造与工作原理，被视为最适合长时储能的电池技术之一。现根据液流电池储能行业发展情况和国家相关政策对液流电池储能行业进行分析，报告如下：
一、液流电池储能行业概况
（一）液流电池概述
液流电池（又名氧化还原电池）的技术原理，完全不同于锂电池等一般的离子蓄电池，液流电池是把能量储存在电解液里面，而不是一般锂电池、铅蓄电池的固体正负极。并且，液流电池的正、负极都是液体的，完全独立分离放置在堆栈外部，通过两个循环动力泵，将正、负极电解液通过管道泵入液流电池堆栈中，并持续发生电化学反应。
不同类别的液流电池具有不同的化学成分，包括最常用的钒以及不常用的锌-溴、多硫化物-溴、铁-铬和铁-铁。根据电化学反应中活性物质的不同，水系/混合液流电池又分为铁铬液流电池、全钒液流电池、锌基液流电池、铁基液流电池等。
液流电池主要利用正负极两侧溶液中活性物质氧化还原状态的改变来实现充放电。如下图所示，液流电池主要由电堆和两个电解液储罐构成。电解液储存在电堆外部的储液罐中，通过泵输送至电堆内部，在电极处进行氧化还原反应，反应后的活性物质随着电解液流回外部储罐。在阳极和阴极之间是隔膜，可选择性地允许支持电解质透过以保持电解质平衡。
图 1-1 液流电池工作原理示意图
（二）液流电池储能上下游概况
液流电池技术路线的不同，主要是指电解质溶液主要成分的不同。但不同技术路线的产业链环节却基本相似。一般分为上游原料和电堆材料；中游电堆装配、控制系统、其他设备；下游整装、项目开发建设等三大环节。
图 1-2 （全钒）液流电池储能产业链示意图
1、钒液流电池产业链
上游：钒原料和电堆材料。
主要原材料包括五氧化二钒、聚合物材料、硫酸、碳材料以及各类辅材等。其中钒矿及其加工业处于核心地位。钒电池电解液是钒电池的关键材料之一，直接影响钒电池的储电能力，占钒电池储能系统总成本30%-60%。电堆材料主要包括电极、隔膜、密封件、双极板等几种关键材料。
中游：电堆装配、控制系统、其他设备。
该环节中电堆端技术壁垒较高，需要技术积累和资本投入。控制系统包括电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）、储能变流器（PCS）等。
下游钒电池储能系统集成和项目开发建设。主要包括各类储能用户，包括发电侧用户、电网侧用户、用电侧用户。
2、铁铬/锌溴液流电池产业链
铁铬液流电池产业化目前还处于起步阶段，刚刚迈入商业化的示范验证阶段。上游原材料主要是铁和铬；中下游电池整装。锌溴液液流电池目前处于技术研发和产业化探索阶段，个别企业在这一领域实现了技术突破。
（二）液流电池储能发展历程
液流电池的演化历程可以分为三个阶段：1971-1988 的实验室阶段，1988-2001 的工业化研发期，2001 年至今的商业化发展期。
图 1-3 液流电池演化历程图
（三）液流电池储能应用现状
由于钒化合物具有多种价态和高度的安全性，使得全钒液流电池成为目前技术最成熟的液流电池体系，目前国内部分项目进展较快，国家能源局批准的首个百兆瓦级别大型电化学储能示范项目“200MW /800MW h 大连液流电池储能调峰电站国家示范项目” 一期已经完成并网，其他全钒液流电池示范项目也在积极推进中。近期钒电池示范项目。
表 1-1 全钒液流电池示范项目
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序号 |
项目名称 |
实施单位 |
容量/能量 |
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1 |
200MW/800MWh大连液流电池储能调峰电站国家示范项目 |
大连融科储能技术发展有限公司 |
200MW/800MWh |
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2 |
上海电气电网侧百兆瓦级全钒液流电池储能示范项目 |
上海电气(安徽)储能科技有限公司华能四川公司 |
- |
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3 |
枞阳海螺6MW/36MWh全钒液流电池储能项目 |
海螺集团 |
6MW/36MWh |
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4 |
广东低碳院液流电池30kW/100kWh储能技术应用示范项目 |
湖南省银峰新能源有限公司 |
30kW/100kWh |
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5 |
河北承德森吉图全钒液流电池风储示范项目 |
河北丰宁建投新能源有限公司 |
3MW/12MWh |
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6 |
大连驼山网源友好型风电场示范项目 |
大连融科储能技术发展有限公司 |
10MW/40MWh |
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7 |
大连瓦房店镇海网源友好型风电场示范项目 |
大连融科储能技术发展有限公司 |
10MW/40MWh |
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8 |
大连普兰店乐甲乡100MW网源友好型风电场示范项目 |
大连融科储能技术发展有限公司 |
10MW/40MWh |
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9 |
江西电建与河钢承钢签订光伏/风电+全钒液流电池储能示范项目 |
河钢集团 |
5MW/20MWh |
除全钒液流电池外，铁铬液流电池示范项目也已取得较大突破。国家电投集团在内蒙古霍林河的铁铬液流电池 1MW/6MW h 储能示范项目，打破了全球同类型储能系统的最高容量记录，为可再生能源发展做出重要贡献。同时，这也标志着全球首套 MW 级铁铬液流电池储能示范项目的完成建设。而其他液流电池项目现阶段仍多处于 kW—MW 级别的项目示范阶段。
表 1-2 铁铬液流电池示范项目
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序号 |
项目名称 |
实施单位 |
容量/能量 |
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1 |
霍林河循环经济“源-网-荷-储-用”多能互补项目 |
国家电投集团 (内蒙古公司) |
1MW/1MWh |
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2 |
温岭铁-铬液流储能系统项目 |
温岭和创智慧能源有限公司 |
- |
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3 |
华润电力郭城源网储一体化示范项目 |
华润电力投资有限公司 |
1MW/2MWh |
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4 |
锋镍空液流电池高通量测评与储能示范 |
- |
- |
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5 |
液流电池光储示范项目 (洁源战石沟光伏电站) |
国家电投中央研究院 |
250KW/1.5MWh |
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6 |
华能拓日格尔木光伏电站复合型储能系统 |
百能汇通 |
1MW/4MWh |
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7 |
陕西省安康市陕西华银厂区 |
华泰科技大连化物所 |
5KW/5KWh |
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8 |
江西省余干县发电侧示范项目 |
纬景储能 |
200KW/600KWh |
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9 |
大连化物所10kW级碱性锌铁液流电池示范项目 |
金尚新能源科技 |
10KW/10KWh |
铁基和锌基等体系的液流电池面临的工艺问题和研发问题仍然较多，且相较于全钒液流电池的技术更为复杂，仍需较长时间研发示范。
二、液流电池储能行业政策
国家颁布储能产业相关政策，目标到2030年，实现新型储能全面市场化发展，实现新型储能核心技术装备自主可控，实现技术创新和产业水平稳居全球前列。标准体系、市场机制、商业模式逐步成熟健全，并与电力系统各环节深度融合发展，装机规模基本满足新型电力系统相应需求。随着储能产业政策陆续出台，有望加快液流电池技术在这一领域的推广应用。
表 2-21 近几年液流电池相关产业政策
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时间 |
政策名称 |
发布单位 |
政策要点 |
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2023/1 |
《新型电力系统发展蓝皮书（征求意见稿）》 |
国家能源局 |
提出以2030年、2045年、2060年为新型电力系统构建战略目标的重要时间节点，制定新型电力系统“三步走”发展路径。具体而言，未来电力系统形态将由“源网荷”三要素向“源网荷储”四要素转变，储能在新型电力系统中的重要地位再次在国家层面的纲领性文件中得到明确。 |
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2023/1 |
《关于推动能源电子产业发展的指导意见》 |
工信部六部委 |
加强新型储能电池产业化技术攻关， 推进先进储能技术及产品规模化应用 。 发展低成本、高能量密度、安全环保的全钒、铬铁、锌溴液流电池 。突破液流电池能量效率、系统可靠性、全周期使用成本等制约规模化应用的瓶颈。促进质子交换膜、电极材料等关键部件产业化。 |
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2022/7 |
《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》 |
国家能源局 |
中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池。 |
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2022/3 |
《“十四五”现代能源体系规划》 |
发改委 |
要求大力推进电源侧储能发展。 |
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2022/2 |
《“十四五”新型储能实施发展方案》 |
发改委、 能源局 |
推动多元化技术开发。开展钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、 液流电池 、压缩空气、氢(氨)储能、热(冷)储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究。 |
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2021/7 |
《关于加快推动新型储能发展的指导意见》 |
发改委、 能源局 |
到2025年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变，装机规模达3,000万千瓦以上。 |
三、液流电池储能的优势及应用场景
（一）液流电池储能的优势
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序号 |
优势 |
介绍 |
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1 |
性能优良 |
使用寿命长： 液流电池的电极为惰性电极，不参加反应，电极和双极板等材料稳定性好，较少涉及更换问题。氧化还原反应过程中不涉及相变，循环寿命通常可以达到15,000-20,000 次。 安全性能高： 相较于锂离子电池，液流电池的正负极以电解液形式存储于电池外部， 大部分技术路线使用水系电解液，不涉及易燃易爆的有机物，不会出现锂离子电池所面临的安全问题。同时液流电池不存在热量堆积问题，其热量可以随电解液由内部转移到外部，而锂电池的不安全性大多数体现在其热量无法散出。 |
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2 |
环境友好 |
液流电池所使用水系溶剂的毒性很低，运行过程中封闭循环，无污染物排放。其电解液可循环利用、残值高、回收简单，回收利用后除了用于后续液流电池项目以外，还可以流入钢铁、石油、化工等诸多领域，经济价值更高。在避免资源浪费的同时保护了生态环境。 |
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3 |
可扩展性 |
液流电池增加容量的方式简单，可以直接通过提高电解液浓度和增大储罐容量来实现，通过增加电堆的数量和功率来增加系统功率，可根据项目需求进行改建、扩建。 |
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4 |
灵活性高 |
液流电池具有较高的灵活性，其能量单元与功率单元相互分离，电堆控制系统的输出功率，而电解液决定着储能容量，因此可根据实际情况进行灵活调整， 以满足不同应用场景的系统功率和储能时长。另外由于液流电池较好的安全性，场站布置受消防安全标准影响更小，有可能实现更加灵活紧凑的施工布局，从而在项目层面上实现更高的能量密度。 |
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5 |
原材料自主 |
全球 39%的钒储量位于中国，位列全球第一，不会出现锂矿所面临的被“卡脖子”的风险。钒作为一种提升钢材性能的添加剂广泛应用于钢铁行业，冶炼技术成熟，我国钒产量占全球总产量的 68%，在原材料及冶炼加工两个方面具有较强的自主权。铁、铬、锌、溴等储量丰富。 |
（二）应用场景
1 新能源大型电站配储
2021 年至今，全国共有 25 个省份发布了新能源配储政策，多省政府要求风光电站需配置 10%-20%甚至 20%以上的储能设施，并且供电时长超过 4 小时。光伏或风电电站设计寿命通常为 25 年左右，所以相较于锂离子电池较短的循环寿命，液流电池的使用寿命更加契合电站配储的要求。
2 电网侧共享储能电站
液流电池的另一个主要应用场景是电网侧的大型共享储能电站，如当前的抽水蓄能的独立储能电站。液流电池的特性与抽水蓄能较为接近，可以作为抽水蓄能在电网侧共享储能电站的补充替代方式。
四、液流电池技术路线比较
（一）不同液流电池优劣势对比
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技术路线 |
优势 |
劣势 |
发展现状 |
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全钒 |
容量大、功率大、安全性高、寿命长、效率高、响应速度快、可瞬间充电、无污染等。 |
初装成本高（大约在3-3.2元/Wh）、能量密度低、工作温度区间较窄（5-45℃）等。 |
钒液流电池产业链相对较为完善， 已经实现GW级别的储能电站项目开发。 随着电力系统对长时储能需求的逐渐显现，定位于能量型应用的全钒液流电池储能系统，近两年开始逐渐在市场上活跃起来。 |
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铁铬 |
资源丰富，成本低廉、安全性高，易扩展、循环次数多，寿命长，废旧电池易处理、电解质溶液可循环利用、适应性强，运行温度范围广（零下20-70℃）。 |
电池负极的析氢问题降低了电池的能量效率，正负极电解液互串交又感染，铬氧化还原性差。 |
铁铬液流电池目前还处于起步阶段，成熟的企业数量还很少。目前布局力度较大、进展较快的铁铬液流电池企业为 国家电投 。 |
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锌溴 |
电池能量密度高、电解液不存在交叉感染，不宜着火爆炸，安全性高、可回收利用，对环境友好、系统总体造价成本低，约是钒电池的1/5。 |
溴易挥发，溴具有腐蚀性和穿透性，锌所在的电极易产生一些锌结晶，会降低整个电池的性能。 |
锌溴液流电池在技术研发和产业化上处于探索阶段，如 江苏恒安 在该领域积极探索，目前已形成规模化生产。 |
（二）不同液流电池性能指标对比
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项目 |
全钒液流电池 |
铁铬液流电池 |
锌溴液流电池 |
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充放电效率 |
75%-85% |
70%-75% |
88% |
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能量密度（Wh/kg） |
12-40 |
10-20 |
75-85 |
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功率密度（Wh/kg） |
50-100 |
- |
- |
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日历寿命 |
10-20年 |
20年 |
20年左右 |
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循环寿命 |
>10,000次 |
10,000次 |
2,000-5,000次 |
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单位投资成本 （元/Kwh） |
2,500-3,900 |
1,200-2,400 |
1,500 |
（三）液流电池技术多管线原因
液流电池出现诸多不同的技术路线，主要因为储能对成本非常敏感，全钒虽然是其中最为成熟、项目最多的技术路线，但它一直有一个很核心的问题，钒的成本非常高，并且产能有限。
从资源的第一性原理上，全钒就存在一定的问题。中国的五氧化二钒产能在十几万吨，其中90%应用在钢铁行业。而1GWh的全钒液流电池，对应需要0.8万-1万吨的五氧化二钒，在目前的钒供应体系下，如果每年全钒液流电池快速上量，钒价必然暴增，并且产能严重跟不上，同时也有资源开采能力的问题。此时就导致产业界去寻找更便宜和易得的金属元素，来作为液流电池的电解质。
锌溴液流电池的优点是能量密度较高，但液溴的挥发性、高毒性、强腐蚀性和易渗透性，也都导致电池在实际容量、循环寿命和安全性方面大打折扣。所以国内最近这几年，对锌溴液流电池的研究和市场化都已经不太活跃了。
目前市场上越来越热的是铁基液流电池，它主要是铁的二价、三价之间转换。铁基最大的优势，就在于便宜，因为无论是铁还是铬，都在地球中大量存在。
所以综合来看，铁铬液流电池在解决了传统的析氢、反应活性等问题之后，是一项非常有潜力的技术路线。
液流电池相关企业
（一）不同液流电池路线企业
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序号 |
名称 |
路线 |
公司概况 |
市场概况 |
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1 |
钒钛股份 |
全钒 |
世界主要的钒制品供应商 |
中国主要的钛原料供应商，铁渣生产企业，硫酸法、氧化法钛*粉白**生产企业。 |
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2 |
河钢股份 |
全钒 |
拥有世界钢铁行业领先的工艺技术装备具备年产 3000 万吨的精品钢材生产能力。 |
位居全球前列和品种齐全的钒制品生产企业，钒产品销量继续保持国内领先。 |
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3 |
北京普能 |
全钒 |
在全球12个国家和地区已安装投运项目70多个，累计安全稳定运行时间接近100万个小时，总容量接近70MWh。 |
处于开发阶段的项目总容量达到3GWh。 |
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4 |
上海电气 |
全钒 |
大型综合性高端装备制造企业集团。 |
在钒电池方面，上海电气已在广东汕头市漆江区风电产业园建设1MW/1MNh全钒液流电池储能电站并顺利通过验收。 |
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5 |
大连融科 |
全钒 |
全球领先的全钒液流电池储能系统服务商。 |
公司装机量(含在建)559MWh。已完成200MW/800MWh大连液流电池储能调峰电站国家示范项目的一期建设。 |
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6 |
绿动中钒 |
全钒 |
国家电投集团湖北绿动新能源有限公司投资 2100万元，占股 70%，湖北平凡瑞丰新能源有限公司投资600万元，占股本 20% |
100MW 全钒液流电池储能电站及 500MW 分布式屋顶光伏装机项目已与襄阳高新区签订入园协议 |
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7 |
液流储能 |
铁铬 |
由天恩能源有限公司和江苏泛宇能源科技有限公司共同出资1亿元成立。官网显示，该公司有第三代液流电池技术和钒电解液、铁铬电解液技术以及相应的迭代研发能力。 |
目前已有成熟的液流储能电堆和电解液产品对外销售。 |
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8 |
中海储能 |
铁铬 |
当前核心产品为铁铬液流电池，围绕低成本、大规模(100 MW以上)、长时储能（4小时以上）的大蓝海赛道提供全面解决方案。 |
2023年一季度拿到百MW级的储能订单和GW级的意向订单 |
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9 |
和瑞电投 |
铁铬 |
全球第一家将铁-铬液流电池规模化生产的新能源科技公司 |
一期规划50MW产能已全面达产；二期规划建设300MW产线，将于2023年达产。 |
（二）液流电池产业链相关企业
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序号 |
产业链阶段 |
公司名称 |
相关业务 |
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1 |
全钒电池上游 |
攀钢钒钛、河钢股份、成渝钒钛、川威集团、龙佰集团 |
钒原料 |
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2 |
全钒电池上游 |
大连博融新材料、钒钛股份、河钢股份、安宁股份、中核钛白 |
电解液 |
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3 |
全钒电池上游 |
江油润生、嘉兴纳科 |
电堆材料 |
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4 |
全钒电池中游 |
智光电气、固德威、科华数据、中电兴发 |
电池控制器 |
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5 |
全钒电池下游 |
大连融科、北京普能、伟力得、华泰储能、武汉南瑞 |
钒液流电池生产和储能系统集成 |
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6 |
铁铬电池上游 |
振华股份 |
铬盐 |
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7 |
铁铬电池下游 |
国电投、恒安储能、中海储能 |
电池整装 |
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8 |
铁溴电池 |
恒安储能 |
电池整装及相关材料 |
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9 |
铁溴电池 |
大连化物所 |
30kW级用户侧锌溴液流电池系 |
六、总结
（一）液流电池为储能“量身打造”
液流电池具备两大核心优势：1）安全：从根本上避免爆燃，2）耐用：活性物质衰减缓慢，工作寿命长达15-20年，加之储能系统一般是静态设施，对重量、体积的要求不高，能量密度并非关键指标，使得其尤其适合作为大规模储能系统。长期来看，液流电池在储能方向会是锂电池的替代品。
（二）国家政策支持，储能需求攀升
随着国家“双碳”目标确立，能源结构调整加快，新能源发电的装机量不断增加，与之相应的储能需求也日渐攀升。根据国家出台的相关政策，明确了新型储能作为独立储能的市场地位。这些政策的出台对电化学储能产业具有重要促进作用。从下游应用场景看，液流电池发挥价值主要用于电网调峰、应急发电装置、电动车车用电源等领域。
（三）储能场景多元化，多种技术共存
随着储能场景日渐多元化，多种储能技术并存将成为长期发展趋势。考虑到不同场景的储能需求存在较大差异，功率范围将涵盖kW级的用户侧场景，到GW级的发电侧、电网侧场景，储能时长则从秒级、分钟级、小时级到跨日、跨季不等未来不太可能出现一种储能技术“一统天下”的局面，而是多种储能技术并存，共同支撑电力系统的安全与稳定。
（四）全钒液流电池商业化前景好，长期经济性待验证
全钒液流电池技术已成熟、综合性能好，是目前所有液流电池技术中最成熟、最可能实现大规模商业化的。从长期看，全钒的经济性不一定是最好，铁铬液流电池、锌基液流电池，在电解液成本上都更有优势，但整个电池技术较全钒相比不是十分成熟。如果未来获得突破的话，液流电池技术的经济性短板将会补上，加上其安全性和长寿命的优势，在规模储能领域非常有前景。
（五）铁铬技术路线潜力较大
铁基最大的优势，就在于便宜，因为无论是铁还是铬，都在地球中大量存在。但铁基也有自己的问题，就是它的电化学活性比较差，所以功率密度弱一些。由于铁铬液流电池的关键问题——阴极析氢与电解液离子互混，长期得不到解决，研究也一度止步，行业研究热点也转向了全钒液流电池。随着技术迭代，保证了铁铬液流电池在享受低成本的同时，不至于综合性能被削弱。
综合来看，铁铬液流电池在解决了传统的析氢、反应活性等问题之后，是一项非常有潜力的技术路线。