全钒电解液成本降低90% 液流电池市场又现新宠？
“新型硫铁电解液，相较于全钒电解液成本可降低90%，这将使得配置该电解液的液流电池装机成本降至1-1.5元/Wh的水平。”深圳市中和储能科技有限公司首席科学家谢伟此前如是说道。
这与深圳市易池新能科技有限公司(Luquos Energy)联合创始人兼首席科学家卢怡君不谋而合：“这种创新技术有望将储能成本减少到锂电池的一半，主要原因是其使用的硫元素价格极为低廉。”
1.首创中性硫铁液流电池体系
在过去的十几年中，已经有很多研究人员尝试过硫基液流电池的研发，硫铁液流电池于2015年左右在美国首次被公开报道。
国内也有研究团队在关注这一技术路线，其中包括长沙理工大学教授贾传坤团队。
据贾传坤回忆，2017年至2019年间，五氧化二钒价格飞涨，从最初的几万元每吨涨到了几十万元每吨，对于当时钒电池的发展来说是一记沉重的打击。
因此，回国之后的贾传坤多次说过：“没有钒矿坚决不做钒电池体系。”
基于此，一些研究人员开始寻找原材料储量丰富且便宜的液流电池体系，包括锰、钛、铁、铬以及硫铁、锌铁等，技术路线众多。
在贾传坤看来，首先铁元素的储量是毋庸置疑的，另外硫元素的储量也非常丰富，且硫具有多种不同的价态，可以形成不同的化合物。
最近，贾传坤教授、丁美教授基于团队首创中性硫铁液流电池体系，联合新加坡国立大学王庆教授，利用氧化还原靶向反应的机理，构建了新一代高能量密度中性硫铁固液相液流电池系统。
该研究团队基于异离子效应原理，将亚铁氰化钾和亚铁氰化钠混合物作为正极活性物质，成功地将铁氰化物/亚铁氰化物的溶解度大幅提升至1.62摩尔/升。在正极储液罐中引入普鲁士蓝作为固体储能材料，利用氧化还原靶向反应，进一步将正极活性物质的理论浓度增加到10摩尔/升，该侧在中性硫铁液流电池体系中理论能量密度高达260 WhL-1。
电池测试结果表明，正极电解液实际能量密度为92.8WhL-1，电池的最大功率密度达到284.7mWcm-2。同时该体系具有优异的高温性能，在50摄氏度下电池仍能保持良好的循环稳定性，且固体储能材料的利用率随着温度升高逐步增加。中性硫铁液流电池小电堆的库伦效率接近100%。
研究发现，基于氧化还原靶向反应的中性硫铁液流电池表现出超长的循环寿命，7000次(4500h)循环后，由于固体储能物质持续释放容量，电池的容量保持率达到181.8%。
贾传坤团队和相关企业研制的20千瓦中性硫铁液流电池单堆产品
该成果于2021年10月首次申请发明专利，2022年2月获得专利授权(高体积容量液流电池系统，ZL202111260042.5)，并已与湖南创达储能科技有限公司完成专利成果转化。目前5kW、10 kW和20 kW中性硫铁液流电池堆产品完成测试，正在建设100MW生产线，预计2024年建成投产。
2.解决成本与安全性两大痛点
成立于2020年底的深圳市易池新能科技有限公司(Luquos Energy)在香港中文大学机械与自动化工程学系教授卢怡君的带领下，专注于开发、生产硫铁液流电池。
卢怡君称：“我们一直在思考如何能够同时解决成本与安全性这两大痛点，我们选择了本身具有安全性的水作为电解液，并采用地壳中丰富的硫元素作为储能介质，聚焦水系硫基液流电池技术。”
但硫元素在电池中非常容易迁移，而普通的商用膜很难阻挡这一过程。
2021年，卢怡君及其团队提出了一种电荷增强离子选择性膜，通过减少多硫化物的穿梭率显著延长循环寿命，但在其商业化的过程中仍存在循环寿命短和低能量效率的瓶颈。
为解决这一难题，该团队提出了一种分子催化剂核黄素磷酸钠(FMN-Na)，以高能效促进多硫化物的转化。
在实验中，发现含有该团队催化剂的液流电池表现良好，在40mAcm-2下运行2000次循环后，每个循环的衰减率为0.00004%。为了证明催化剂的可扩展性，卢怡君和团队成员创建了一个100平方厘米的电池堆，工作电流密度高达100毫安每平方厘米，显示出巨大的实际应用潜力。
100平方厘米的硫铁液流电池堆
正如研究人员的初步发现，他们提高多硫化物液流电池性能的方法也可以扩大规模，以创建更大的液流电池系统。未来的研究可以通过测试含有FMN-Na催化剂的各种电池的性能来帮助进一步评估和验证这种方法的潜力。
卢怡君称：“实验室里科研成果走向市场并不容易，除了需要投入大量资金做研究、实验，在寸土寸金的香港建立实验室和研究中心也非常困难。”
为了解决资金问题，2021年，卢怡君团队以“安全及低成本的液流电池”项目参加由香港中化煤气有限公司举办的首届TERA-Award智慧能源创新大赛，并获得铜奖，其研发的“安全及低成本的液流电池”项目凭借安全性好、成本低、寿命长、换电方便等优势脱颖而出，同时也得到了香港中华煤气进一步的战略投资。
3.全寿命度电成本降至锂电池的一半左右
由于钒电解液占液流电池成本最多，因此很多新型技术路线都迫切希望寻找一种可以替代钒的原材料，借此降低成本。
中和储能选择的技术路线便是硫铁，其优势在于铁本身比较廉价，硫属于化工石化冶炼的副产物，成本比铁更便宜，因此，硫铁具有显著的价格优势。
谢伟指出，电解液体系未来的目标是要把初始装机成本做到接近锂电池。硫、铁是非常成熟的工业化产品，其作为电解液的成本只有钒的1/10。
全寿命度电成本对比
谢伟称：“因为硫铁的边际成本低，但是电堆成本高，所以在4小时内优势不会太明显。但随着时间越来越长，它的优势会越来越明显，因为它的边际成本能够快速地把系统成本带下来。硫铁体系将来是面向更长时的储能，从经济性能上来看基本要去覆盖6-10h区间的应用场景。”
硫铁液流电池其一侧使用多硫化物为电解液，但多硫化物的反应活性不理想，中和储能针对有效提升多硫化物氧化还原电化学活性开展研究，目前在1000次循环的过程当中，1000瓦的电堆运行很平稳，能量效率达到70%以上。
2024年3月18日，中和储能“100MW液流电池全自动化生产线”项目签约落户长沙望城区，将推动硫铁液流电池产品快速上市。该条生产线预计将于2024年下半年建成投产。
