大力发展光伏、风电等可再生能源是实现双碳目标的必经之路，但可再生能源的间歇性和不稳定性给电力系统带来了非常大的挑战，储能是逐渐成为电力系统安全稳定、经济运行不可或缺的配套设施。电池储能具有效率高、响应速度快、不受地理环境限制等优点，日益广泛应用于电源侧、电网侧和用户侧各个环节。在诸多电池储能技术中，液流电池由于其长寿命、高安全性、高能效而成为颇具发展潜力的大规模电池储能技术。

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。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。

液流电池根据其电解液中活性物质的不同，可以分为很多种液流电池，主要有全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池、锌溴液流电池、全铁液流电池等。亚化咨询对比分析了液流储能主要的技术路线，汇总如下：

表：液流储能主要技术路线对比

1、全钒液流电池

全钒液流电池所用的正极电解液为V(Ⅴ)和V(Ⅳ)离子溶液，负极电解液包括V(Ⅲ)和V(Ⅱ)离子溶液组成。电池充放电时发生的电极反应如下：

总反应：VO²⁺+V³⁺+H₂O ⇌ VO₂⁺+V²⁺+2H⁺   E₀=1.259V

全钒液流电池是目前商业化程度最高和技术成熟度最强的液流电池技术。1978年，意大利Pellegri等人第1次在专利中提及全钒液流电池。经过几十年的发展，越来越多的和企业涉足全钒液流电池产业化的开发，如日本住友电工(SEI)、美国UET公司、英国Invinity、奥地利Enerox、澳大利亚VSUN、美国Largo及澳大利亚TNG Ltd 公司等。中国于20 世纪80 年代末开始研究全钒液流电池技术，并与1995 年由中国工程物理研究所研制出500W、1kW的样机。2022年10月，由融科储能设计制造的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级全钒液流电池储能调峰电站正式并网发电。目前，融科储能、上海电气、钒钛股份、普能世纪、国润储能等企业布局了全钒液流电池，积极推动产业化发展。

全钒液流电池优势有：（1）充放电性能好、能量效率高(>80%)、功率密度高；（2）循环寿命长，电池正负极氧化还原电对使用同种元素钒，电解液在长期运行过程中可再生，避免了交叉污染带来的电池容量难以恢复的问题；（3）去耦性好，储能容量与功率电池相对独立。

然而，全钒液流电池仍有以下缺陷：（1）钒电解液成本约占据电池成本的60%，初始投资门槛较高；（2）钒电解液对工作环境温度有要求，主要在5 ℃~45 ℃范围，过高或者过低都需要辅助调节。

2、铁铬液流电池

铁铬液流电池正负极电解液分别为氯化亚铁、氯化铬的盐酸溶液，电池充放电时电极反应式如下：

总反应：Fe²⁺+Cr³⁺ ⇌ Fe³⁺+Cr²⁺    E₀=1.18V

铁铬液流电池是最早被提出的液流电池技术，初期由美国能源部支持，由美国国家航空航天局（NASA）科学家进行研究。自20世纪末期开始，各国科学家和研发人员对铁铬液流电池进行了持续的研发，尤其是美国和日本的相关机构对其产业化进行了不断推动，但铁铬液流电池产业化进展缓慢。2014年左右，由美国能源部支持，EnerVault公司在美国实施了一个250kWh/1MWh的铁铬液流电池示范项目。我国国家电力投资集团公司在铁铬液流电池的研发和应用上进行了大量工作，目前已通过高效催化剂技术提升了铬反应活性，抑制了析氢，并通过电解液稳定技术和电堆关键材料研发解决了电解液交叉污染和转换效率低的问题。2019年11月，由国家电投集团科学技术研究院有限公司（国家电投中央研究院）研发的首个31.25 kW铁铬液流电池电堆（“容和一号”）成功下线。2023年1月，由国家电投集团建设的全球首套兆瓦级铁-铬液流电池储能示范项目完成，该项目共安装34台 “容和一号”电池堆与四组储罐组成的储能系统，系统可提供长达6小时的储能时长。铁-铬液流电池储能技术路线迈入兆瓦级应用时代。

铁铬液流电池具有以下优势：（1）铁铬来源广泛，电解液价格便宜；（2）可运行的温度区间比较大，电解液可以在-20 ℃~70 ℃范围内启动；（3）电解质溶液为含有铁和铬的稀盐酸溶液，毒性和腐蚀性较低；（3）去耦性好，储能容量与功率电池相对独立。

铁铬液流电池产业化进程受限，主要是由于下列缺陷：（1）Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)电对的可逆性好，但Cr(Ⅱ)/Cr(Ⅲ)电对的可逆性不好，有析氢副反应，负极电极材料需要沉积催化剂；（2）运行过程会发生电解液的交叉污染，离子传导膜需要高选择性，成本较高；（3）电池的最佳工作温度较高；（4）能量转换效率较低。

3、锌铁液流电池

锌铁液流电池根据电解质性质的不同，分为碱性锌铁液流电池、中性锌铁液流电池和酸性锌铁液流电池。中性锌铁液流电池一般选用KCl中性溶液作为支持电解质，碱性锌铁液流电池一般选用KOH和NaOH中性溶液作为支持电解质。其正极电解液组成为亚铁氰化钾 K₄Fe(CN)₆和KOH溶液，负极电解液组成为Zn(OH)₄^2–和KOH溶液。电极反应如下：

总反应：Zn(OH)₄^2-+2Fe(CN)₆^4- ⇌ Zn+2Fe(CN)₆^3-+4OH^-     E₀=1.74V

碱性锌铁液流电池于1981年被提出，之后有中性和酸性锌铁液流电池出现，但后两者未达到工程化应用的程度。在美国，锌铁液流电池的商业化应用开始较早，ViZn能源系统公司为其中的代表性公司，2018 年， ViZn能源系统公司濒临破产，将其技术授权给纬景储能科技有限公司。在国内，2019年，中国电建集团建设的余干县祥晖20MW瓦渔光互补集中式光伏扶贫电站配套的200kW/600kWh锌铁液流储能系统示范项目成功并网运行；2020年，大连化物所同金尚新能源科技集团股份有限公司合作进行自主研发的10kW级碱性锌铁液流电池储能示范系统于2020年在金尚新能源科技股份有限公司厂区内投入运行；2022年7月，纬景储能位于珠海的智能制造基地（超G工厂）奠基动工，该超G工厂年产能达1.5GW。

4、其他锌基液流电池

目前锌溴液流电池主要有两种：一种锌溴液流电池，一种锌溴液单流电池（电池阴极侧无电解液循环处于完全封闭状态）。其中锌溴液流电池正负极电解液均为溴化锌溶液，电池正极采用Br^-/Br₂电对，负极采用Zn²⁺/Zn电对。正极充电时Br^-被氧化成Br₂单质，Br₂单质会与溶液中的相关物质结合，沉降在电解质溶液底部，因此锌溴液流电池是一种单沉积液流电池，电极反应如下：

总反应：Zn²⁺+2Br^-⇌Zn+Br₂   E₀=1.836V

锌溴液流电池优点有：（1）正负极电解液均为ZnBr₂水溶液，不用担心正负极电解液发生互混而交叉污染；（2）具有较高的能量密度，理论上可达435 Wh/kg，实际能量密度也已达到60 Wh/kg。

锌溴液流电池主要存在：（1）锌基液流电池广泛存在的锌枝晶问题；（2）溴本身的腐蚀性、化学氧化性、很高的挥发性及穿透性带来的防腐与防污染问题；（3）由于锌溴液流电池为沉积型液流电池，其容量同功率不能完全解耦，容量受到锌电极的限制问题。

锌镍单液流电池于2007年由防化研究所的程杰研究员、杨裕生院士开发，其同时结合锌镍二次电池与液流电池的优势。与锌溴单液流电池结构类似，锌镍单液流电池正负极采用同一种电解质，无需离子交换膜，结构简单。锌镍单液流电池以固体氧化镍电极为正极，以在惰性集流体上发生沉积/溶解的锌电极为负极，电解液是流动的碱性锌酸盐溶液(氧化锌溶解在碱性水溶液中形成的含可溶性锌盐的碱性水溶液，例如：ZnO+LiOH+KOH水溶液)。充电时，固体氧化镍电极中氢氧化镍氧化成羟基氧化镍，锌酸根离子在负极上沉积成金属锌。放电时发生其逆过程。电池的开路电压为1.7伏，极化较低，平均放电电压达到1.6伏。

锌镍单液流电池的综合性能较佳，也进行了初步的应用示范，但由于镍价快速上涨，锌镍单液流电池的价格竞争力快速减弱，技术的开发和部署处于较为停滞的阶段。在技术层面，锌枝晶与积累导致的电池短路以及寿命降低问题还需要进一步研究，锌镍单液流电池的正负极面积容量低且功率与容量不能完全解耦，以及电池正极需要高成本烧结镍才能保障较长寿命的问题有待解决。

锌空气液流电池由北京化工大学的潘军青教授在2009年提出。该电池在充电过程中，正极发生氧析出反应，锌离子会在金属负极沉积为金属锌；在放电过程中，正极发生氧还原反应，负极上的锌溶解，以锌离子的状态保存到电解液中。目前，对于锌空气液流电池的研发，加拿大ZINC8公司和美国EOS公司具有代表性。国内如北京化工大学、江苏沃泰丰能公司等也进行了相关的研究工作，但距离产业化还有一定距离。在技术上，锌空气液流电池同大部分锌液流电池一样，也面临着锌枝晶的问题。同时，其还面临着电流密度低、氧析出氧还原双效催化剂开发不全面的问题。

6、全铁液流电池

正极：Fe²⁺+e^- ⇌ Fe³⁺    E₀=0.77 V

负极：Fe²⁺+2e^- ⇌ Fe      E₀=-0.44 V

正极：Fe(CN)₆^4--e^- ⇌ Fe(CN)₆^3-   E₀=0.36V

负极：[Fe(TEOA)OH]^-+e^- ⇌ [Fe (TEOA)OH]^2- E₀=-0.86V

液流电池具有本质安全、循环寿命长、效率高等优势，在储能领域具有很好的应用前景。随着我国新型储能装机需求的快速增长和国家液流电池的支持，液流电池技术将得到快速发展。

目前来看，全钒液流电池储能技术以其突出的安全性能和技术成熟度等特点，在大规模固定式储能领域的具有较大优势。虽然我国液流电池储能技术特别是大规模全钒液流电池储能技术已经初步实现产业化，但还需要进一步降低系统成本、提高大规模储能系统的性能、开展不同应用场合的运行模式。

铁铬液流电池于今年完成了首套兆瓦级铁-铬液流电池储能示范项目，国电投有力地推动了铁铬液流电池的发展；恒安储能已经实现了锌溴液流电池的MWh级应用；纬景储能的锌铁液流电池超G工厂于去年开工；巨安储能初步实现了碱性全铁液流电池商业化。这些技术虽然尚不完善，产业化进程落后于全钒液流电池，但它们以其低成本等优势成为全钒液流电池潜在的竞争对手。

未来，大规模液流电池储能在产业化工程应用仍需要进一步提高电池性能、降低关键原材料成本。此外，我们也将看到更多的无机体系和有机体系等新型液流电池储能技术。