目前液流电池主要有全钒液流电池、铁铬液流电池、锌溴液流电池、锌铁液流电池等20多种技术路线,目前全钒和铁铬技术路线讨论较多。
这里技术路线的不同,主要是指电解质溶液主要成分的不同。全钒是相对成熟、项目最多的技术路线,全钒液流电池是一种以金属钒离子为活性物质的液态氧化还原电池,以+4、+5 价态的钒离子溶液作为正极的活性物质,以+2、+3 价态的钒离子溶液作为负极的活性物质,分别储存在各自的电解液储罐中。在对电池进行充、放电时,正负极电解液在离子交换膜两侧进行氧化还原反应。
第二种是以锌基为代表的技术路线,即把锌金属作为电解液中的一种,组成像锌溴、锌铁、锌锰等锌基的液流电池。为什么选用锌基?主要是因为锌的氧化还原性比较好,并且锌这种元素也容易获得。
第三种是铁基的,比如像铁铬,还有全铁等等,铁的电化学活性比较好,并且储量非常丰富,所以铁铬液流电池也是比较有潜力的一种。
为什么会出现这么多不同的技术路线?主要还是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。
无论是全钒还是锌基、铁基,在技术原理上都大同小异,都是通过金属的得到、失去电子,来实现充电放电。
但有的会出现沉积效应而导致寿命不足。比如锌基液流电池比较突出的问题就是寿命短,锌元素在充放电时,会发生锌单质跟锌离子之间的转换,锌沉积与溶解生成枝晶,而枝晶会刺破隔膜,导致电池的寿命比较短。而全钒液流电池不会出现这种固态析出问题。
此外虽然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。
最近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。