《行业更新|源广流长,“铬”显神通——铁铬液流电池储能技术产业化稳步迈进》

（以下内容从国泰君安《《行业更新|源广流长,“铬”显神通——铁铬液流电池储能技术产业化稳步迈进》》研报附件原文摘录）
　　作者：国泰君安电新团队 庞钧文/石岩 来源：具体请见2022年6月30日报告《源广流长，“铬”显神通——铁/铬液流电池储能技术产业向前迈进》。PDF版报告全文欢迎联系对口销售或团队成员获取。 报告导读 2022年1月，国家电投自主研发的铁/铬液流电池堆“容和一号”量产线投产，单条产线可年产5000台30kW级电堆，标志着铁/铬液流电池储能技术产业化向前迈进了一大步，为液流电池储能技术带来了新的增长点。 投资要点 投资建议： 铁/铬液流电池产业目前处于导入期，其研发速度在过去一直都较为缓慢，甚至几乎停滞。此次国家电投的“容和一号”电堆量产线的投产标志着铁/铬液流电池技术产业化的一次重要迈进，也为液流电池储能技术带来了新的增长点。我们认为在铁/铬液流电池产业化的进程中，电池端和材料端的相关企业都将受益：1）电池端的电堆技术壁垒高，具有长期技术积累和资本优势的企业将保持竞争力，国内主要企业为国家电投集团，受益标的：电投能源；PCS环节推荐固德威；变频器环节推荐汇川技术。2）原材料端电解液和隔膜是决定铁/铬液流电池的性能的重要因素，其中隔膜的成本占比最高。电解液环节受益标的：振华股份；隔膜环节受益标的：东岳集团。 媲美全钒，成本更低。铁/铬液流电池与全钒液流电池一样，都采用水系电解液，活性材料反应温和，无爆燃风险，具有原理层面的本征安全性，且循环寿命都在10000次以上。区别在于，铁/铬液流电池的工作物质是廉价的铁和铬，来源广、供给足，材料成本较全钒液流电池大大降低。同时，铁/铬液流电池的电解液为氯化盐，水溶温区也较全钒液流电池的硫酸盐更宽，在高低温环境下的工作性能更优。 技术创新，解决痛点。铁/铬液流电池在过去产业化发展缓慢的原因在于负极可逆性差、析氢严重，不仅降低能量效率还带来了安全隐患。同时，过去的隔膜技术难以兼顾低互串率和高电导率，致使电池内阻大且容量衰减较快。国家电投集团科学技术研究院通过使用混合电解液，设置负极催化剂以及电解液再平衡系统，有效解决了以上问题，为铁/铬液流电池的实用化提供了重要保障。 老树新枝，鲜有对手。由于铁/铬液流电池属于最早的液流电池方案，且关键技术问题长期得不到解决，因此国外在90年代后几乎放弃了对该技术的研发，国内研发进度也非常缓慢，关注度远不及全钒液流电池。得益于近年来铁/铬液流电池技术的发展，以及其巨大的成本优势，该技术再获关注，目前真正掌握核心技术的企业数量较少。 风险提示：实际运行效果不及预期、产业链形成不及预期、其他新型储能技术的威胁等风险。 1.技术特点：媲美全钒，成本更低 铁/铬液流电池的基本原理与全钒液流电池完全相同，都属于液流型氧化还原电池。顾名思义，铁/铬液流电池的正负极活性物质是铁化合物和铬化合物，工作电对为Fe2+/3+/Cr2+/3+，正极活性物质为FeCl2，负极活性物质为CrCl3，正负极间用质子传导膜进行隔离（避免正负极活性物质直接接触而发生自氧化还原反应），电解液基质为盐酸。电池在满充状态下放电时，正极活性物质发生还原反应：Fe3+ + e → Fe2+，标准电位+0.77 V，负极活性物质发生氧化反应：Cr2+ → Cr3+ + e，标准电位-0.41 V，整体可合并为：Fe3+ + Cr2+ → Fe2+ + Cr3+，即三价Fe3+离子对二价Cr2+离子的氧化及自身的还原过程，电子从负极出发，经外电路后到达正极，理论开路电压1.18 V。充电储能的过程则与之相反。 铁/铬液流电池的装置结构与全钒液流电池完全相同，都是由独立储罐和电堆构成。电解液被分别储存在独立的储液罐中，利用循环泵使得电解液流入电池堆内进行反应。在机械驱动力作用下，液态活性物质在不同的储液罐与电池堆的闭合回路中循环流动，采用离子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应。系统通过双极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。 铁/铬液流电池具备全钒液流电池的大部分优势，能量密度略低，但成本优势更强。作为水系液流电池技术，铁/铬液流电池同样具有本征安全性、超长寿命、均一性好、容量大、功率-容量独立、响应速度快、选址灵活、资源丰富、环境友好等优势，因此也是一种具有前景的储能技术。与全钒液流电池相比，铁/铬液流电池的能量密度虽然更低，但是原材料使用廉价的铁和铬，来源广、供给足，成本可降低1/3~1/2（在其他硬件装置不变的情况下，电解液成本占比从全钒的50%降至铁铬的9%）。同时，铁/铬液流电池的电解液为氯化盐，由于氯离子与过渡金属离子的络合性较强，工作物质的水溶温区也较全钒液流电池的硫酸盐更宽，在高低温环境下的工作性能更优。 2.发展历程：问世最早，几度兴衰 2.1 国外情况：转化困难，研发停滞 铁/铬液流电池问世于冷战时期，是最早被发明的现代液流电池方案。1974年，NASA首次提出铁/铬液流电池，但由于该体系在当时面临难以克服的正负极电解液Fe-Cr离子互蹿的问题，NASA于80年代终止了该项目，并将相关技术转移给日本继续研究。1984年和1986年，日本住友电工成功造出10kW和60kW的铁/铬液流电池系统样机。90年代后，由于铁/铬液流电池的固有技术瓶颈难以解决，该领域很少再出现相关的研究报道，研究热点主要转向了全钒液流电池和锌/溴液流电池。2014年5月，美国Enervault公司继承了NASA的技术体系，并进行工程放大。在美国能源局ARRA储能示范项目（约476万美元）及加州能源委员会PIER项目（约47.6万美元）资助下，在加州特洛克建成并投运了250kW/1MWh的铁/铬液流电池系统，该系统作为150kWp光伏系统的配套装置，共同为一台260kW的大型灌溉泵供电。随后，该项目于2015年6月停运。 2.2 国内情况：锲而不舍，后来居上 国内对铁/铬液流电池的研究始于20世纪90年代，早期以跟踪研究为主。其中，中科院长春应用化学研究所的江志韫团队对NASA在七八十年代的工作做了细致的综述研究，中科院大连化学物理研究所的衣宝廉院士团队于1992年曾经推出过270W的小型铁/铬液流电池电堆。然而，由于铁/铬液流电池技术中的关键问题——阴极析氢与电解液离子互混长期得不到解决，研究也一度止步，研究热点也转向了全钒液流电池，只有少数团队继续开展铁/铬液流电池研究，以中科院大连化物所和沈阳的金属所为代表。此后很长一段时间内，铁/铬液流电池一度被认为是已经淘汰的技术，直到国家电投集团再次将其拉回人们的视野，他们采用铁、铬离子混合溶液作为电解液，应对正负极铁铬离子互串问题；通过电极催化剂负载，应对负极在充电时的析氢问题；通过在电池中设计安装再平衡系统，有效解决了电池容量衰减问题，极大提高了铁-铬液流电池的实际使用寿命。2019年11月5日，中国国家电投公司所属的中央研究院和上海发电设备成套设计研究院联合项目团队研发的国内首个31.25kW铁/铬液流电池电堆“容和一号”成功下线，并通过了检漏测试。首批次共8台电堆，应用于张家口战石沟光伏电站250kW/1.5MWh铁-铬液流电池储能示范项目，并已于2020年12月投入试运行，成为国内首套百千瓦级铁/铬液流电池储能项目，也是当时全球最大功率的铁/铬液流电池电堆。2022年1月，“容和一号”量产线投产，单条产线可年产5000台“容和一号”电堆，标志着铁/铬液流电池储能技术产业化向前迈进了一大步，为液流电池储能技术带来了新的增长点。与此同时，国家电投还在内蒙古霍林河启动了全球首个兆瓦级铁/铬液流电池储能示范项目建设，预计将在2022年年底投产，届时将再度刷新全球铁/铬液流电池储能系统的最大实证容量纪录。 3.投资建议： 铁/铬液流电池产业目前处于导入期，此次国家电投的“容和一号”电堆量产线的投产标志着铁/铬液流电池技术产业化的一次重要迈进，也为液流电池储能技术带来了新的增长点。2021年，我国新型储能累计装机规模达到5729.7MW，其中液流电池占比0.9%，规模约为51.57MW。在储能设施逐步投运后，安全性将是不得不面对的问题，具有本征安全性的液流电池将具有很大的竞争力，但由于钒供给量短期内难以大幅扩张，导致成本高企，制约了全钒液流电池的产业化速率，这间接为铁/铬液流电池的发展带来了机遇。我们认为在铁/铬液流电池产业化的进程中，电池端和材料端的相关企业都将受益：1）电池端的电堆技术壁垒高，具有长期技术积累和资本优势的企业将保持竞争力，国内主要企业为国家电投集团，受益标的：电投能源；PCS环节推荐固德威；变频器环节推荐汇川技术。2）原材料端电解液和隔膜是决定铁/铬液流电池的性能的重要因素，其中隔膜的成本占比最高，其次则是铬盐。电解液环节受益标的：振华股份；隔膜环节受益标的：东岳集团。 4.风险提示： 实际运行效果不及预期。技术改进后的的铁/铬液流电池，正负极电解液采用了Fe-Cr混合液，以应对离子扩散渗透造成的自放电，但电解液的实用活性物质减少，因此该电池的能量密度较之前会进一步降低。同时，为了改善Cr离子电对的循环性能，抑制氢气放出，在负极表面沉积了催化剂，沉积工艺会增加制造成本。如果铁/铬液流电池的实际运行效果不及预期，那么其实用价值将大打折扣，成本优势也就无法真正体现。 产业链形成不及预期。铁/铬液流电池原材料中成本占比最高的是隔膜材料，目前高质量的离子传导膜主要依赖进口，价格高昂，如果未来无法做到进口替代，降低材料价格，那么其产能将严重受限。同时，铁/铬液流电池的能量密度过低，应用场景很有限，如果下游的储能市场需求扩张不及预期，那么该技术的产业化速率将大大放缓。 其他新型储能技术的威胁。钠离子电池、全钒液流电池等新型储能技术都在迅猛发展，因此铁/铬液流电池也面临很大的挑战。其中，全钒液流电池与铁/铬液流电池的主体结构几乎相同，只是电解液体系不同，二者互为替代品，如果全钒液流电池的降本速率超预期，那么铁/铬液流电池的发展势头可能会快速遇冷。

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