中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“新型硫鐵電解液，相較于全釩電解液成本可降低90%，這將使得配置該電解液的液流電池裝機(jī)成本降至1-1.5元/Wh的水平?！鄙钲谑兄泻蛢?chǔ)能科技有限公司首席科學(xué)家謝偉此前如是說(shuō)道。
這與深圳市易池新能科技有限公司（Luquos Energy）聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家盧怡君不謀而合：“這種創(chuàng)新技術(shù)有望將儲(chǔ)能成本減少到鋰電池的一半，主要原因是其使用的硫元素價(jià)格極為低廉?！?
1.首創(chuàng)中性硫鐵液流電池體系
在過(guò)去的十幾年中，已經(jīng)有很多研究人員嘗試過(guò)硫基液流電池的研發(fā)，硫鐵液流電池于2015年左右在美國(guó)首次被公開(kāi)報(bào)道。
國(guó)內(nèi)也有研究團(tuán)隊(duì)在關(guān)注這一技術(shù)路線，其中包括長(zhǎng)沙理工大學(xué)教授賈傳坤團(tuán)隊(duì)。
據(jù)賈傳坤回憶，2017年至2019年間，五氧化二釩價(jià)格飛漲，從最初的幾萬(wàn)元每噸漲到了幾十萬(wàn)元每噸，對(duì)于當(dāng)時(shí)釩電池的發(fā)展來(lái)說(shuō)是一記沉重的打擊。
因此，回國(guó)之后的賈傳坤多次說(shuō)過(guò)：“沒(méi)有釩礦堅(jiān)決不做釩電池體系?！?
基于此，一些研究人員開(kāi)始尋找原材料儲(chǔ)量豐富且便宜的液流電池體系，包括錳、鈦、鐵、鉻以及硫鐵、鋅鐵等，技術(shù)路線眾多。
在賈傳坤看來(lái)，首先鐵元素的儲(chǔ)量是毋庸置疑的，另外硫元素的儲(chǔ)量也非常豐富，且硫具有多種不同的價(jià)態(tài)，可以形成不同的化合物。
最近，賈傳坤教授、丁美教授基于團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)中性硫鐵液流電池體系，聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)王慶教授，利用氧化還原靶向反應(yīng)的機(jī)理，構(gòu)建了新一代高能量密度中性硫鐵固液相液流電池系統(tǒng)。
該研究團(tuán)隊(duì)基于異離子效應(yīng)原理，將亞鐵氰化鉀和亞鐵氰化鈉混合物作為正極活性物質(zhì)，成功地將鐵氰化物/亞鐵氰化物的溶解度大幅提升至1.62摩爾/升。在正極儲(chǔ)液罐中引入普魯士藍(lán)作為固體儲(chǔ)能材料，利用氧化還原靶向反應(yīng)，進(jìn)一步將正極活性物質(zhì)的理論濃度增加到10摩爾/升，該側(cè)在中性硫鐵液流電池體系中理論能量密度高達(dá)260 WhL-1。
電池測(cè)試結(jié)果表明，正極電解液實(shí)際能量密度為92.8WhL-1，電池的最大功率密度達(dá)到284.7mWcm-2。同時(shí)該體系具有優(yōu)異的高溫性能，在50攝氏度下電池仍能保持良好的循環(huán)穩(wěn)定性，且固體儲(chǔ)能材料的利用率隨著溫度升高逐步增加。中性硫鐵液流電池小電堆的庫(kù)倫效率接近100%。
研究發(fā)現(xiàn)，基于氧化還原靶向反應(yīng)的中性硫鐵液流電池表現(xiàn)出超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，7000次(4500h)循環(huán)后，由于固體儲(chǔ)能物質(zhì)持續(xù)釋放容量，電池的容量保持率達(dá)到181.8%。
賈傳坤團(tuán)隊(duì)和相關(guān)企業(yè)研制的20千瓦中性硫鐵液流電池單堆產(chǎn)品
該成果于2021年10月首次申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利，2022年2月獲得專(zhuān)利授權(quán)（高體積容量液流電池系統(tǒng)，ZL202111260042.5），并已與湖南創(chuàng)達(dá)儲(chǔ)能科技有限公司完成專(zhuān)利成果轉(zhuǎn)化。目前5kW、10 kW和20 kW中性硫鐵液流電池堆產(chǎn)品完成測(cè)試，正在建設(shè)100MW生產(chǎn)線，預(yù)計(jì)2024年建成投產(chǎn)。
2.解決成本與安全性兩大痛點(diǎn)
成立于2020年底的深圳市易池新能科技有限公司（Luquos Energy）在香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系教授盧怡君的帶領(lǐng)下，專(zhuān)注于開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)硫鐵液流電池。
盧怡君稱(chēng)：“我們一直在思考如何能夠同時(shí)解決成本與安全性這兩大痛點(diǎn)，我們選擇了本身具有安全性的水作為電解液，并采用地殼中豐富的硫元素作為儲(chǔ)能介質(zhì)，聚焦水系硫基液流電池技術(shù)?！?
但硫元素在電池中非常容易遷移，而普通的商用膜很難阻擋這一過(guò)程。
2021年，盧怡君及其團(tuán)隊(duì)提出了一種電荷增強(qiáng)離子選擇性膜，通過(guò)減少多硫化物的穿梭率顯著延長(zhǎng)循環(huán)壽命，但在其商業(yè)化的過(guò)程中仍存在循環(huán)壽命短和低能量效率的瓶頸。
為解決這一難題，該團(tuán)隊(duì)提出了一種分子催化劑核黃素磷酸鈉（FMN-Na），以高能效促進(jìn)多硫化物的轉(zhuǎn)化。
在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)含有該團(tuán)隊(duì)催化劑的液流電池表現(xiàn)良好，在40mAcm-2下運(yùn)行2000次循環(huán)后，每個(gè)循環(huán)的衰減率為0.00004%。為了證明催化劑的可擴(kuò)展性，盧怡君和團(tuán)隊(duì)成員創(chuàng)建了一個(gè)100平方厘米的電池堆，工作電流密度高達(dá)100毫安每平方厘米，顯示出巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。
100平方厘米的硫鐵液流電池堆
正如研究人員的初步發(fā)現(xiàn)，他們提高多硫化物液流電池性能的方法也可以擴(kuò)大規(guī)模，以創(chuàng)建更大的液流電池系統(tǒng)。未來(lái)的研究可以通過(guò)測(cè)試含有FMN-Na催化劑的各種電池的性能來(lái)幫助進(jìn)一步評(píng)估和驗(yàn)證這種方法的潛力。
盧怡君稱(chēng)：“實(shí)驗(yàn)室里科研成果走向市場(chǎng)并不容易，除了需要投入大量資金做研究、實(shí)驗(yàn)，在寸土寸金的香港建立實(shí)驗(yàn)室和研究中心也非常困難。”
為了解決資金問(wèn)題，2021年，盧怡君團(tuán)隊(duì)以“安全及低成本的液流電池”項(xiàng)目參加由香港中化煤氣有限公司舉辦的首屆TERA-Award智慧能源創(chuàng)新大賽，并獲得銅獎(jiǎng)，其研發(fā)的“安全及低成本的液流電池”項(xiàng)目憑借安全性好、成本低、壽命長(zhǎng)、換電方便等優(yōu)勢(shì)脫穎而出，同時(shí)也得到了香港中華煤氣進(jìn)一步的戰(zhàn)略投資。
3.全壽命度電成本降至鋰電池的一半左右
由于釩電解液占液流電池成本最多，因此很多新型技術(shù)路線都迫切希望尋找一種可以替代釩的原材料，借此降低成本。
中和儲(chǔ)能選擇的技術(shù)路線便是硫鐵，其優(yōu)勢(shì)在于鐵本身比較廉價(jià)，硫?qū)儆诨な睙挼母碑a(chǎn)物，成本比鐵更便宜，因此，硫鐵具有顯著的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。
謝偉指出，電解液體系未來(lái)的目標(biāo)是要把初始裝機(jī)成本做到接近鋰電池。硫、鐵是非常成熟的工業(yè)化產(chǎn)品，其作為電解液的成本只有釩的1/10。
全壽命度電成本對(duì)比
謝偉稱(chēng)：“因?yàn)榱蜩F的邊際成本低，但是電堆成本高，所以在4小時(shí)內(nèi)優(yōu)勢(shì)不會(huì)太明顯。但隨著時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，它的優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯，因?yàn)樗倪呺H成本能夠快速地把系統(tǒng)成本帶下來(lái)。硫鐵體系將來(lái)是面向更長(zhǎng)時(shí)的儲(chǔ)能，從經(jīng)濟(jì)性能上來(lái)看基本要去覆蓋6-10h區(qū)間的應(yīng)用場(chǎng)景?！?
硫鐵液流電池其一側(cè)使用多硫化物為電解液，但多硫化物的反應(yīng)活性不理想，中和儲(chǔ)能針對(duì)有效提升多硫化物氧化還原電化學(xué)活性開(kāi)展研究，目前在1000次循環(huán)的過(guò)程當(dāng)中，1000瓦的電堆運(yùn)行很平穩(wěn)，能量效率達(dá)到70%以上。
2024年3月18日，中和儲(chǔ)能“100MW液流電池全自動(dòng)化生產(chǎn)線”項(xiàng)目簽約落戶長(zhǎng)沙望城區(qū)，將推動(dòng)硫鐵液流電池產(chǎn)品快速上市。該條生產(chǎn)線預(yù)計(jì)將于2024年下半年建成投產(chǎn)。
