來源：國泰君安證券 作者：龐鈞文、石巖

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1. 技術(shù)詳解：全釩液流電池的前世今生

隨著“碳達峰，碳中和”目標提出，我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整加快，新能源對傳統(tǒng)化石能源的逐步替代將是歷史必然。我國幅員遼闊，擁有豐富的太陽能、風(fēng)能資源，但這些天然能源具有間歇性、波動性等特點，直接并入電網(wǎng)會遇到很大困難，必須先進行平滑處理。同時，電力供給和需求往往在時間和空間上存在錯配，表現(xiàn)出峰谷波段，以及區(qū)域不均衡等現(xiàn)象。解決上述問題的重要途徑就是儲能技術(shù)，尤其是電化學(xué)儲能還具有效率高、響應(yīng)速度快、不受地理環(huán)境限制等優(yōu)點，適用于供給側(cè)風(fēng)光發(fā)電的平滑處理，也適用于需求側(cè)的電能管理。相比其他電化學(xué)儲能技術(shù)，液流電池具有本征安全性和超長循環(huán)壽命，特別適用于大規(guī)模儲能電站。

1.1. 基本概念與歷史背景

液流電池是一種液相電化學(xué)儲能裝置，其活性物質(zhì)完全溶解在電解液中，通過活性元素的氧化價態(tài)變化來實現(xiàn)能量的存儲與釋放，屬于一種氧化還原電池。一般來說，液流電池需要兩組氧化還原電對來構(gòu)成正負極，隨著電池的充放電過程，正負極活性元素的氧化價態(tài)（電位）發(fā)生相應(yīng)變化。以早期最經(jīng)典、研究最廣泛的 Fe-Cr 雙液流電池為例，其工作電對為 Fe2+/3+/Cr2+/3+，正極活性物質(zhì)為 FeCl2，負極活性物質(zhì)為 CrCl3，電解液基質(zhì)為鹽酸，正負極間用質(zhì)子傳導(dǎo)膜進行隔離（避免正負極活性物質(zhì)直接接觸而發(fā)生自氧化還原反應(yīng)）。電池在滿充狀態(tài)下放電時，正極活性物質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)：Cr3+ + e → Cr2+，負極活性物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)：Fe2+ → Fe3+ + e，整體可合并為：Cr3+ + Fe2+ → Cr2+ + Fe3+，即三價 Cr 離子對二價 Fe 離子的氧化及自身的還原過程，電子從負極出發(fā)，經(jīng)外電路后到達正極。充電儲能的過程則與之相反。

液流電池技術(shù)的起源非常悠久，跨越一個多世紀。最早可追溯到 1884 年，法國工程師 Charles Renard 發(fā)明的鋅-氯液態(tài)電池，被用作軍用飛艇 螺旋槳的動力源，續(xù)航時間 23 分鐘，往返飛行里程 8 公里，電池整體 重 435kg，以三氧化鉻和濃鹽酸為氯源。該電池與今天的鋅-溴液流電池 相似（但沒有附加的流體驅(qū)動系統(tǒng)），在當(dāng)時作為一次電池使用，沒有 明顯競爭力，隨后銷聲匿跡。半個多世紀后的 1949 年，德國科學(xué)家 Walter Kango 發(fā)明了“液態(tài)儲存電池”，并申請了正式專利，該電池以硫酸鉻氯化亞鐵為工作物質(zhì)且存放在獨立容器中，以硫酸為基質(zhì)，石墨為惰性 電極，該專利被視為歷史上液流電池的首個專利。此后，Kango 進一步 篩選出 6 組可用于構(gòu)建液態(tài)電池的電對，以氯化鈦、氯化鐵、硫酸鉻等過渡金屬鹽作為活性物質(zhì)。這種液態(tài)儲存電池的裝置結(jié)構(gòu)已初具現(xiàn)代液 流電池的雛形，但設(shè)計簡陋，且循環(huán)性能較差，主要是由于正負極金屬 離子交叉污染引起的自放電很嚴重，導(dǎo)致電壓失穩(wěn)和容量快速衰減，且 所用原物料的腐蝕性往往很強或具有高毒性，在成本上也不具備顯著優(yōu) 勢，因此基本不具有商業(yè)化價值。

現(xiàn)代液流電池技術(shù)的進步與離子交換膜技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。1950 年左 右，膜技術(shù)取得突破，人們獲得了具有選擇透性的離子交換膜，為現(xiàn)代 版液流電池技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1955 年，通用電器公司將聚苯乙烯 磺化修飾后得到了第一個質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane， PEM），并將其作為燃料電池的電堆隔膜。PEM 只允許質(zhì)子通過，阻斷 其他離子透過，因此該技術(shù)很快被移植到液流電池中，作為正負極隔膜 以抑制內(nèi)部自放電。到了 80 年代，通用公司與杜邦公司合作，依托后 者的全氟磺酸樹脂專利技術(shù)，開發(fā)出了 Nafion 質(zhì)子交換膜，并被加拿大 Ballard 公司應(yīng)用到燃料電池中，使得其性能大大改善。由于全氟磺酸膜 的質(zhì)子傳導(dǎo)性能優(yōu)異，還具有極強的抗氧化和酸腐蝕性，很快被引入液 流電池中，至今仍然是液流電池的主流隔膜材料。

技術(shù)萌芽期（1971-1985 年）：1971 年，日本科學(xué)家 Ashimura 和 Miyake 首次提出了現(xiàn)代意義的液流 電池概念，通過將正負極活性物質(zhì)溶解在電解液中，在惰性電極上發(fā)生 可逆氧化還原反應(yīng)，以實現(xiàn)電能與化學(xué)能的互相轉(zhuǎn)化。自 1973 年起， 美國航空航天局（NASA）開始對液流電池進行研究，用于月球基地的 太陽能儲電系統(tǒng)，首要考慮電池的安全性、效率和運行壽命，而成本則 為次要因素。一年后，NASA 的科學(xué)家 L. H. Thaller 首次提出具有實際 意義的液流電池詳細模型，以 FeCl2 和 CrCl3 作為正負極活性物質(zhì)并存放 在兩個外部儲罐中，以鹽酸作為基質(zhì)，以陰離子交換膜為隔膜，以循環(huán) 泵作為液流驅(qū)動力，構(gòu)成了第一款 Fe-Cr 雙液流電池。此后，F(xiàn)e-Cr 液流 電池在世界范圍內(nèi)掀起了一波研究熱潮，其中美國和日本成功研發(fā)了 kW 量級、容量 10 kWh 以上的 Fe-Cr 液流電池樣機，作為光伏陣列配套 設(shè)施。然而，由于 Cr3+/Cr2+半反應(yīng)的可逆性較差，以及部分 Fe、Cr 離子 穿過隔膜引起交叉污染，導(dǎo)致工作電壓不穩(wěn)和容量衰減，大大降低電池 的實際使用壽命。這些問題涉及 Fe-Cr 體系的物理化學(xué)本性，當(dāng)時離子 交換膜技術(shù)有限，難以妥善解決，因而 Fe-Cr 體系被逐漸淘汰。目前國 外 Fe-Cr 液流電池研發(fā)幾乎停滯，僅有的美國 EnerVault 公司示范實驗項 目也于 2015 年 6 月停運；國內(nèi)主要是國家電投集團仍在持續(xù)研發(fā)，其 31.25kW 級 Fe-Cr 液流電堆“容和一號”已經(jīng)開始量產(chǎn)。

研發(fā)示范期（1986-2000 年）：經(jīng)過十余年的探索，絕大多數(shù)的液流電池候選材料體系由于各種難以克 服的缺陷而被先后淘汰，最終進入實用化示范階段的主要是鋅-溴液流電 池和全釩液流電池。其中，鋅-溴液流電池是一種單側(cè)沉積型液流電池， 優(yōu)點是能量密度較高且原料成本較低，但液溴的揮發(fā)性、高毒性、強腐 蝕性和易滲透性以及鋅枝晶析出使電池的實際容量、循環(huán)壽命和安全性 大打折扣。相比之下，全釩液流電池雖在能量密度上不及鋅-溴液流電池， 但其他方面的表現(xiàn)更具有快速商業(yè)化的潛力。自 1984 年起，澳大利亞 新南威爾士大學(xué)（UNSW）的 Maria Skyllas-Kazacos 等人開始對全釩液 流電池進行系統(tǒng)性研究，具體涉及電極過程動力學(xué)機理、電極材料的制 作與改性、離子交換膜的優(yōu)化、電解液的配方等。他們設(shè)計的全釩液流 電池活性材料為不同價態(tài)釩離子的硫酸鹽，基質(zhì)采用硫酸溶液。該團隊 于 1986 年首次申請了全釩液流電池的專利，1988 年正式授權(quán)，并開始 建造 1kW 級的試驗電堆，能量效率達 72~88%。隨后，UNSW 將該技術(shù) 轉(zhuǎn)售澳大利亞墨爾本的尖峰礦業(yè)公司（Pinnacle）。1993 年，UNSW 與泰 國石膏制品公司（Thai Gypsum Products）合作，嘗試將釩電池應(yīng)用于太 陽能屋。1994 年，全釩液流電池被應(yīng)用于高爾夫車和潛艇上的備用電源。UNSW 的研究成果是全釩液流電池史上的一個里程碑，這標志著該技術(shù) 開始從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化。

商業(yè)化初期（2001 年至今）：進入 21 世紀后，全釩液流電池開始真正走向商業(yè)化，前期主要以美國 和日本企業(yè)為代表。2001 年，Vanteck 公司收購了 Pinnacle 公司 59%的 股份，獲得核心專利權(quán)，次年更名為釩電池儲能系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)公司（VRB Power System），該公司在 2004 年進一步收購 Reliable Power 公司，從而 控制整個北美地區(qū)的全釩液流電池市場，主要從事釩電池的技術(shù)開發(fā)與 授權(quán)轉(zhuǎn)讓，成為當(dāng)時全球最大的全釩液流電池公司。同時，在 2000 年 至 2002 年間，日本 SEI 公司建成了多個全釩液流電池儲能系統(tǒng)并將其 用于辦公樓、工廠供電，以及風(fēng)力發(fā)電場和高爾夫球場光伏陣列的配套 設(shè)施。2005 年，SEI 公司在北海道苫前町建立了 4MW/6MWh 全釩液流 電池儲能系統(tǒng)，作為 36MW 風(fēng)電站的調(diào)頻調(diào)幅配套設(shè)施，這是當(dāng)時全球 最大的全釩液流儲能電池工程示范系統(tǒng)。此后，2008 年金融危機爆發(fā)， 對全釩液流電池產(chǎn)業(yè)也造成了一定程度的沖擊。SEI 公司一度暫停了液 流電池項目的開發(fā)，直到 2011 才恢復(fù)商業(yè)化運作。

1.2. 工作原理與核心材料

全釩液流電池，商業(yè)簡稱“釩電池”，就是指液流電池的正負極電解液 活性物質(zhì)全部都采用釩化合物。全釩液流電池的正負極氧化還原電對為 VO2+/VO2 + -V3+/V2+，活性材料為不同價態(tài)釩離子的硫酸鹽，電解液基質(zhì) 采用硫酸水溶液。電池在滿充狀態(tài)下放電時，正極的活性物質(zhì)發(fā)生還原 反應(yīng)：VO2 + + e → VO2+，標準電位+1.004 V；負極的活性物質(zhì)發(fā)生氧化 反應(yīng)：V2+ → V3+ + e，標準電位-0.255 V。全電池反應(yīng)整體上可合并為：VO2 + + V2+ → VO2+ + V3+，開路電壓 1.259 V，即五價的釩酰離子將二價 的水合釩離子的氧化為三價的水合釩離子，而自身被還原為四價的釩氧 離子的過程，電子從負極出發(fā)，經(jīng)外電路后到達正極。充電儲能的過程 則與之相反。在實際運行時，由于過電位等復(fù)雜因素，全釩液流電池的 開路電壓一般為 1.5~1.6 V。

目前，全釩體系是雙液流電池中最成熟的方案。所有雙液流電池在電堆 結(jié)構(gòu)上大同小異，主要差別在于活性物質(zhì)不同，這是決定理論能量密度 的核心要素。從電化學(xué)理論上講，只要有兩組電勢差不同的電對，即可 用它們的變價化合物作為正負極活性物質(zhì)組成液流電池。然而，在實際 電池制作時還需考慮更多因素，例如活性物質(zhì)的穩(wěn)定性、溶解度、電極 反應(yīng)可逆性、電化學(xué)窗口匹配性等等。真正進入商業(yè)化階段時，還涉及 到安全性、成本、效率、壽命、環(huán)保等約束條件，是一個多學(xué)科交叉的 復(fù)雜系統(tǒng)工程。多年以來，圍繞這些復(fù)雜因素，科研人員對液流電池展 開大量研究，累積了豐富的實驗數(shù)據(jù)。在經(jīng)過大浪淘沙般的篩選后，全 釩液流電池成為現(xiàn)階段最有可能率先實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的液流電 池方案。全釩液流電池的整個系統(tǒng)由能量單元、功率單元、輸運系統(tǒng)、 控制系統(tǒng)、附加設(shè)施等部分組成，其中能量單元和功率單元是核心模塊。

1.2.1. 電解液材料：能量單元的核心要素

全釩液流電池的正負極電解液是其真正的儲能介質(zhì)，是能量單元的核心， 一般由活性物質(zhì)、基質(zhì)、添加劑三部分組成。電解液中活性物質(zhì)的濃度 以及溶液總量（體積）從根本上決定了整個電池系統(tǒng)的能量密度、儲能 容量上限；電解液的熱穩(wěn)定性決定了電池的工作溫區(qū)和可靠性。

活性物質(zhì)：釩硫酸鹽 全釩液流電池的電解液活性物質(zhì)為釩硫酸鹽，其中釩元素是活性元素。之所以選擇釩作為核心工作元素，是因為釩的基態(tài)電子組態(tài)為[Ar]3d24S2， 具有豐富多變的氧化價態(tài)，+2、+3、+4、+5 價都能在酸性水溶液環(huán)境 中穩(wěn)定存在，并且正負極的還原電位恰好與水的電化學(xué)窗口適配。此外， 不同價態(tài)的水合釩離子特征光譜迥異，易于辨識：二價釩為紫色、三價 釩為深綠色、四價釩為藍色、五價釩為黃色，可以用 UV-Vis 光譜進行 濃度定量分析，從而對電解液的荷電狀態(tài)（SOC）進行實時監(jiān)測。不同 價 態(tài) 釩 的 硫 酸 鹽 作 為 活 性 物 質(zhì) ， 正 負 極 氧 化 還 原 電 對 ：VO2 + /VO2+ -V3+/V2+，正極反應(yīng)：VO2 + + e ? VO2+，負極反應(yīng)：V2+ ? V3+ + e，全電池反應(yīng)：VO2 + + V2+ ? VO2+ + V3+。在理想情況下，未充電的 原始電解液正負極活性離子分別為 VO2+和 V3+，二者比例應(yīng)該為 1:1， 以滿足化學(xué)計量比要求，使活性物質(zhì)被充分利用。

基質(zhì)：硫酸水溶液 全釩液流電池的電解液基質(zhì)一般為硫酸水溶液，其作用是維持電解液的 低 pH，抑制釩離子的水解，并增加電解液的電導(dǎo)率，降低歐姆極化。采用硫酸水溶液的主要原因在于硫酸根離子的化學(xué)惰性較強，不容易被 氧化或還原，因此副反應(yīng)相對較少。同時，硫酸沒有揮發(fā)性，其水溶液 的蒸汽壓較低，因此系統(tǒng)內(nèi)壓一般變化不大。盡管硫酸作為支撐電解液 的基質(zhì)，對能量儲存雖沒有直接貢獻，但是其含量會直接影響電解液的 放電容量和能量效率。隨著硫酸濃度上升，電解液粘度增大，導(dǎo)致液流 阻力增大，濃差極化效應(yīng)加劇，導(dǎo)致放電末期的電壓突降，總放電容量 較少；電解液整體電導(dǎo)率增大，歐姆極化效應(yīng)減輕，因此能量效率提升。綜合考慮，電解液中的硫酸濃度一般控制在 2~3mol/L 為宜。

添加劑：有機及無機絡(luò)合劑 為了增加電解液中釩離子的溶解度和穩(wěn)定性，一般還需加向其中入少量 的添加劑，起到抑制固體沉淀析出的作用。電解液添加劑的種類繁多， 分為有機物和無機物兩大類。有機添加劑一般為多齒配體，帶有羥基、 巰基、氨基等配位官能團，能與釩離子形成較穩(wěn)定的絡(luò)合物，抑制 V2O5 固體的成核長大，同時還起到分散劑的作用，降低粒子的表面能，抑制了膠粒的聚沉。常見的有機添加劑包括：氨基酸、多元醇、氨基磺酸以 及一些表面活性劑和水溶性高分子聚合物等。無機添加劑一般為鹽類， 其中的陰離子或陽離子能與釩離子形成配位鍵，例如磷酸鹽、銨鹽等， 其作用機制也是抑制 V2O5 固體的成核長大，從而穩(wěn)定電解液。添加劑的用量視具體種類和電解液濃度而定，一般在 1~3%，過量使用會阻礙離子傳輸機制，增大電解液的歐姆極化效應(yīng)，降低系統(tǒng)能量效率。

1.2.2. 電堆材料：功率單元的核心要素

電堆是全釩液流電池進行電化學(xué)反應(yīng)的場所，決定了系統(tǒng)的功率特性， 電堆的性能會直接影響系統(tǒng)整體的性能。一個全釩液流電池電堆本質(zhì)上 是由多個單電池疊合串接組成，一般以壓濾機的方式進行疊合緊固，其 內(nèi)部有一套或多套電解質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，而電流出入端口則是統(tǒng)一的一套。全釩液流單電池的主要構(gòu)件包括：電極、雙極板、隔膜、端板、密封件， 以及其他緊固件等。

電極：全釩液流電池的電極并不參與電化學(xué)反應(yīng)，只是作為反應(yīng)的場所，活性 物質(zhì)在電極表面得到或失去電子，發(fā)生還原或氧化，實現(xiàn)電能與化學(xué)能 之間的相互轉(zhuǎn)化。電極材料的物理化學(xué)性能對全釩液流電池有重要影響：第一，電極的導(dǎo)電性和催化性能直接影響電池的極化狀態(tài)以及電流密度 大小，進而影響能量效率；第二，電極材料的物理化學(xué)穩(wěn)定性直接影響 電池整體工作穩(wěn)定性和實際壽命，因此電極材料必須有較高的化學(xué)惰性、 機械強度、導(dǎo)電性，最好比表面積較大。早期使用金屬電極，包括金、 鉛、鈦等單質(zhì)金屬，以及鈦基鉑、鈦基氧化銥等合金材料。但金屬電極 材料存在很多缺陷，有的電化學(xué)可逆性差，有的成本過高，難以大規(guī)模、 長時間使用。之后，人們改用碳素類電極材料，例如石墨、玻碳、碳氈、 石墨氈、碳布以及碳纖維等，這類碳材料化學(xué)穩(wěn)定性好，導(dǎo)電性好，易 制備且成本低。研究發(fā)現(xiàn)，玻碳電極可逆性差；石墨和碳布電極在充放 電過程中易被刻蝕損耗，而且這幾種材料的比表面積小，造成電池內(nèi)阻 較大，難以大電流充放電；碳紙電極比表面積雖大，穩(wěn)定性也較好，但 親水性較差，電化學(xué)活性不高。目前，最廣泛使用的電極材料是碳氈或 石墨氈，它們都屬于碳纖維紡織材料。

雙極板：全釩液流電池中的雙極板是一種導(dǎo)電隔板，它與電極緊貼在一起，用來 分隔兩個相鄰單電池的正負極電解液、匯集電流，并對電極起支撐作用， 從而在電堆內(nèi)部實現(xiàn)多個單電池的串聯(lián)。理想的雙極板材料具有：良好 的阻氣和阻液性、導(dǎo)電性、化學(xué)惰性、機械強度。阻氣和阻液的目的是 防止極板兩側(cè)的正負極電解液滲透交叉污染，這是雙極板最基本的要求。高導(dǎo)電性既包括雙極板自身的低阻抗，還要求雙極板與電極之間的接觸 電阻較低，這是為了降低電池的內(nèi)阻。由于雙極板的兩側(cè)分別是強氧化 性和強還原性的電解液，要在這種嚴酷環(huán)境下長期運行，雙極板材料必 須有很高的化學(xué)惰性。最后，雙極板作為支撐電極，必須有較好的機械 強度和可加工性。最初使用的是金屬雙極板或純石墨雙極板，前者的機 械強度好但耐腐蝕性較差（金、鉑等貴金屬則成本過高），后者的耐腐 蝕性好但脆性大且加工成本高。目前一種方案是對石墨雙極板改性，提 高機械強度和可加工性；另一種方案是采用碳塑復(fù)合雙極板，將導(dǎo)電填 料和聚合物樹脂混 制成型，具有很好的機械強度和耐腐蝕性，但是導(dǎo)電性有所降低（電阻率相比金屬和石墨雙極板提高 1~2 個數(shù)量級）。目前 而言，電極材料也是一種易損耗材料，在正常工況下的實際使用壽命大 約在兩年左右，到期后需要進行更換。目前，研究者們通過熱壓或模壓 將電極與雙極板粘結(jié)成一體，能得到電化學(xué)性能好又不易刻蝕的一體化 電極-雙極板。

隔膜：離子選擇性透過，長壽命的關(guān)鍵點 。全釩液流電池中的隔膜是一種離子傳導(dǎo)膜，位于每個單電池中央，用來 分隔單電池內(nèi)部的正負極電解液，防止活性物質(zhì)互相混合發(fā)生“躥液” 而自放電，同時允許特定離子的選擇性傳遞，保證電池內(nèi)部電路導(dǎo)通。隔膜性能直接影響電池的效率和壽命，一般要求：較高的離子選擇性、 離子導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、機械強度。理論上可選用：陽離子交換膜、 陰離子交換膜、多孔分離膜。其中，陽/陰離子交換膜有負/正電荷基團， 可讓特定類型的陽離子或陰離子透過；多孔分離膜沒有荷電基團，通過 離子半徑來進行篩選和截留。目前在全釩液流電池在應(yīng)用最為廣泛的是 質(zhì)子傳導(dǎo)膜，屬于陽離子交換膜，工藝成熟，典型代表是杜邦公司生產(chǎn) 的 Nafion 膜，這是一類全氟磺酸樹脂，化學(xué)穩(wěn)定性和離子導(dǎo)電性很好，但離子選擇性不好，成本高（500~800 美元/平方米）。之后，人們嘗試 將苯磺基等離子選擇性基團修飾在部分氟化聚合物碳鏈上，制成了部分 氟化膜，離子選擇性明顯提高，但化學(xué)穩(wěn)定性降低，而且需要輻射工藝。考慮到氟化樹脂的昂貴，人們轉(zhuǎn)而研發(fā)非氟烴類膜，一類是無孔型非氟 離子交換膜，另一類是多孔型非氟分離膜。無孔型非氟離子交換膜是在 非氟聚合物上引入離子選擇性基團，例如磺化聚芳醚酮，其離子選擇性 和導(dǎo)電性較好，但化學(xué)穩(wěn)定性降低，循環(huán)幾百次就被嚴重破壞。多孔型 非氟分離膜的典型代表是納濾膜，表面沒有荷電基團，但分布有大量的 納米級微孔，允許半徑較小的水合質(zhì)子通過，不允許半徑很大的水合釩 離子通過。目前，全氟磺酸樹脂膜已開始國產(chǎn)替代，而非氟膜的應(yīng)用則 方興未艾，這對于降低電池系統(tǒng)的成本具有重要意義。

密封件：密封性是釩電池性能的重要保障，系統(tǒng)全密封運行，嚴格避免電解液的 外漏和內(nèi)漏。若發(fā)生外漏，二價水合釩離子在空氣中極易被氧化而發(fā)生 容量損失，而且強腐蝕性的電解液可能破壞電堆的其他構(gòu)件。若發(fā)生內(nèi)漏，正負極電解液可能互混，這將直接影響電堆的性能和壽命，而且從 電堆外部不易發(fā)現(xiàn)漏液。由于全釩液流電池的正負極電解液具有強氧化 性和強還原性，且電解液基質(zhì)又是硫酸，普通的橡膠密封材料根本無法 耐受這種環(huán)境，必須采用特殊的氟橡膠作為密封件。此外，用于密封件 的氟橡膠材料應(yīng)具有適宜的硬度、拉伸強度、拉斷伸長率和撕裂強度， 并且壓縮塑性形變量要盡量小，還需要附加自緊固裝置。然而，氟橡膠的價格很昂貴，大約 30~40 萬元/噸，而且在長期運行中仍然面臨老化、塑性變形等問題。中科院大連化物所的科研團隊通過一體化激光焊技術(shù) 簡化密封工藝，實現(xiàn)隔膜-電極-雙極板的一體化，節(jié)省了氟橡膠構(gòu)件， 這對于降低電堆成本具有重要意義。

1.3. 制造工藝與技術(shù)壁壘

1.3.1. 電解液材料制造：配方和工藝是關(guān)鍵

釩電池電解液是通過在硫酸中還原五氧化二釩制成，可利用化學(xué)法或電 解法等工藝大規(guī)模生產(chǎn)。早期的釩電池電解液是由硫酸氧釩（VOSO4） 溶于硫酸溶液來直接配制的，優(yōu)點是操作簡便，但硫酸氧釩的價格昂貴， 經(jīng)濟性較差，不適合規(guī)模化生產(chǎn)。目前，量產(chǎn)釩電池電解液的方法分為 化學(xué)還原法和電解法，本質(zhì)都是把五價釩還原成低價?；瘜W(xué)還原法是將 五價釩原料（如五氧化二釩、偏釩酸銨等）與硫酸溶液混合，放入還原 劑（如草酸、二氧化硫等）后加熱，反應(yīng)得到低價釩鹽溶液。電解法是 通過在電解槽中對五價釩原料進行陰極還原，同樣得到低價釩鹽溶液?；瘜W(xué)法優(yōu)點是工藝和設(shè)備簡單，缺點是反應(yīng)較慢，需要高溫處理。電解 法的優(yōu)點是可以常溫大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，缺點是需要消耗較多的 電能。初始狀態(tài)的電解液中釩離子的氧化價態(tài)在 3~4 之間，輸入電堆后 開始預(yù)充電，陽極的釩離子被統(tǒng)一氧化成+5 價，陰極的釩離子被統(tǒng)一還 原成+2 價，至此完成了正負極電解液價態(tài)調(diào)整，可以開始工作。

電解液是全釩液流電池系統(tǒng)總成本中占比最大的部分（ 一般為 30%~50%）。盡管電解液的基本原料都是五氧化二釩，屬于同質(zhì)化產(chǎn)品， 但由于不同廠家采用的電解液生產(chǎn)路線和添加劑各不相同，因此制得的電解液性能和成本也有較大差異。在性能方面，主要是電解液配方具有獨特性，特別是濃度、酸度和添加劑等，企業(yè)都以專利形式進行保護。同時，不同企業(yè)技術(shù)的差異會造成電解液雜質(zhì)含量的差異，也會反映在電池性能上。此外，不同生產(chǎn)工藝的加工成本不同。目前電解液的市場價格大約為 1500 元/kW·h，儲存 1kW·h 電能大約需要 10kg 五氧化二釩， 因此電解液形式的五氧化二釩價格約 15 萬元/噸。目前市售五氧化二釩現(xiàn)貨價格約為 10 萬元/噸，因此五氧化二釩加工成電解液的單位成本約 為 5 萬元/噸。換言之，電解液成本的 2/3 來自于五氧化二釩，1/3 來自 于加工費用。由于五氧化二釩本身是從釩渣、石煤中提取的，如果將電解液的工藝起點直接從釩渣、石煤等原材料開始，跳過五氧化二釩環(huán)節(jié)，那么就能縮短整個制造流程，從而大幅降低電解液成本，而這要求企業(yè)具有相當(dāng)大的產(chǎn)能規(guī)模，并且對上游具有相當(dāng)強的掌控力。