无膜的单液流电池，长时储能黑马

在液流电池领域，提到单液流电池，大多数人还比较陌生，这到底是一项什么技术?

1.什么是单液流电池?

液流电池可分为双液流电池和单液流电池。商业化程度最高、技术最为成熟的全钒液流电池属于双液流电池。

单液流电池具有液流电池的显著特点，能量主要载体是通过储液罐及泵在电池内外循环的电解液，最大区别在于单液流电池不需要隔膜，只需要一个储液罐，内部设计大大简化。

在质子交换膜很大程度上决定液流电池性能与成本的当下，无需隔膜的单液流电池带来了一种新的解法。此外，与双液流电池相比，单液流电池使用单一电解液、无隔膜的先天优势有效避免了双液流电池存在的溶液交叉污染等问题。

2.单液流电池家族铅酸单液流电池

为避免双液流电池的诸多缺点，英国Pletcher教授及其研究课题小组在对传统铅酸电池进行深入认识的基础上，于2004年提出了一种全沉积型的单液流电池体系，该电池结构简单，正负极处于同一反应池中，采用酸性甲基磺酸铅溶液作为电解液，正负极均采用惰性导电材料(碳材料)作为电极基底。充电时电解液中的Pb²⁺在负极发生还原反应生成金属Pb并沉积在负极基底上;同时Pb²⁺也在正极发生氧化反应生成PbO₂并沉积在正极基底上。

由于在一定的温度范围内，电沉积生成的活性物质Pb和PbO₂均不溶于甲基磺酸溶液，因此该液流电池体系不存在正负极活性物质相互接触的问题，所以不需要使用离子交换膜，甚至连单沉积液流电池中的通透性隔膜也不需要，所以也不存在使用两套电解液循环系统的问题。这些都大大降低了液流电池的成本。

Pletcher教授研发的铅酸单液流电池也被视为单液流电池体系的开端。

绿色铅盐单液流电池

由西安理工大学刘政及其团队研制的绿色铅盐单液流电池正是建立在Pletcher教授铅酸单液流电池基础之上。

2022年，刘政参与创办的西安秦源智科储能科技有限公司成立，目前该电池系统已完成下线验证组装，正式向规模化生产迈进。

据了解，绿色铅盐单液流电池成本与锂电池价格持平，降低成本的关键在于消除了电堆中的一层隔膜，在正极和负极之间以高分子聚合物衔接，双极性结构设计使其具有更高的能量密度和功率密度，同时也降低了系统的复杂性和成本，这一改变不会影响电流效率，目前可达到81%的转化率。

锌溴单液流电池

2017年，由中国科学院大连化学物理研究所的研究人员自主开发的国内首套5kW/5kWh锌溴单液流电池储能示范系统在陕西省安康市华银科技股份有限公司厂区内投入运行。

该锌溴单液流电池储能示范系统由一套电解液循环系统、4个独立的千瓦级电堆，以及与其配套的电力控制模块组成，经现场测试，该系统在额定功率下运行时的能量转换效率超过70%。其成功运行为锌溴单液流电池系统的工程化和产业化开发奠定了坚实的基础。

据了解，锌溴单液流电池有别于传统的液流电池技术，其正负极采用相同的电解质溶液，仅需一套电解液储存及循环系统，具有结构简单、能量密度高、成本低等优点，适用于百千瓦及以下级别的分布式储能系统。此外，其单液流的结构将溴封闭于正极内，解决了溴对管路系统的腐蚀问题。

此外，美国加州的锌溴液流电池企业Primus Power设计的锌溴液流电池Energy Pod由一个电解液罐、一个循环电解液的泵送系统、两堆48个钛电极(电池)、一个热管理系统和一个电池管理系统组成，也拥有无膜、仅有一个电解液循环系统的单液流电池特性。

锌镍单液流电池

结合锌镍二次电池与液流电池优势，2007年，解放军军事科学院防化研究院研究员程杰、院士杨裕生共同开发了锌镍单液流电池。

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。

在产业化方面，国内主要有超威集团、张家港智电芳华公司和大连化物所，国外的美国纽约城市大学和英国埃塞克斯大学分别在2009年和2016年进行了该技术的开发。

在应用方面，锌镍液流电池目前仍处于商业示范阶段，尚未有商业化项目出现。

实验室阶段，锌镍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。

3.长时储能黑马?

在液流电池技术体系中，全钒液流电池被认为是长时储能技术非常有力的竞争者。但初始投资成本较高依旧是全钒液流电池技术发展上的一大阻力。

较传统双液液流电池而言，无需隔膜的单液液流电池，无论是成本抑或是电池系统复杂程度都有所降低。

据公开信息，秦源智科绿色铅盐单液流电池的成本仅需1.3元/Wh，基本和锂电池价格持平，转化率目前可达81%。定位于中、大型储能市场，秦源智科绿色铅盐单液流电池可广泛的用于发电侧新能源配储、电网侧调峰调谷，工商业用户峰谷套利及稳定应急电源等方面。

自2007年锌镍单液流电池被提出到现在，锌镍单液流电池在电池结构、电极材料等方面的性能都有所提升，电堆的结构和尺寸、容量以及能量效率不断得到优化。

目前，单液流锌镍电池已经研发出了三代规模化产品，据相关厂商资料，锌镍单液流电池的循环寿命可达10000次以上，能量效率可达80%。锌镍单液流电池系统的成本约2600~3500元/kWh。

据Primus Power官网介绍，Primus Power公司第二代锌溴液流电池产品EnergyPod采用导电性更强、能够产生更多电能的金属作为电极，功率为25KW/125KWh，效率可达70%。

此外，英国初创公司Stor Tera创新发明的SLIQ液流电池，采用开创性的锂硫单液体化学、低成本材料和创新纳米技术，结合了锂离子技术的高能量密度和快速充电优势，同时保留了液流电池低存储成本和长寿命的优势，电池的能量密度可达到250Wh/L，循环次数超过7500次。

从诞生到现在，双液流电池已经历了近40年的历史，与之相比，单液液流电池还显稚嫩。

值得注意的是，双液液流电池一般为无沉积或半沉积型，能量载体只有电解液，所以理论上的能量储量可以非常大。

目前的单液液流电池均为全沉积型液流电池，电池中至少有一个电极参加反应，所以电池的容量取决于电解液和电极两方面。由于固体电极主要的反应在固液界面，电池的能量总量一般就不如双液液流电池，且反应的机理也较双液液流电池复杂，尚待进一步研究。这也是单液液流电池规模化面临的一个重要问题。

未来单液流电池能否在愈发火热的长时储能市场站稳脚跟还很难说。但随着性能的提升及商业化应用的扩大，目前尚显小众的单液流电池，未尝不会成为长时储能技术的一个重要发展方向。