锌铁液流电池原理、分类、应用场景及关键应用技术问题概述

一、锌铁液流电池定义与分类

锌铁液流电池系统的核心构成主要包括电解液储罐、动力传输泵、电堆、电极材料以及隔膜等关键组件。在充放电循环过程中，锌铁液流电池电极材料的表面发生氧化还原反应，分别在正极处实现Fe2+/Fe3+离子之间相互的可逆转化，负极发生锌的沉积析出和溶解，以此实现化学能和电能的转化。 

根据电解液的酸碱性质，锌铁液流电池可以分类为碱性、酸性及中性3种类型。 

• 碱性锌铁液流电池能够在高电流密度条件下实现长期稳定的循环运行；但碱性介质下电池的阳离子隔膜电阻值较高，且锌枝晶问题不可忽视，导致电池的循环性能较差。 

  

10千瓦级碱性锌铁液流电池示范系统投入

• 酸性锌铁液流电池具有较好的溶解度以及电化学活性，但：在充放电循环过程中，Zn/Fe离子的交叉污染会损失库仑效率，降低电池容量；同时，负极侧受pH影响较大，容易发生析氢反应。 

• 中性锌铁液流电池体系的电解液无腐蚀性，然而该体系中水解的铁离子会显著影响电池的循环稳定性。

   

二、锌铁液流电池储能的应用方向 

目前，锌铁液流电池储能应用的案例较少，但是电池储能可于电力系统源侧、网侧、荷侧等场景发挥作用。

 2.1  源侧 

电力系统源侧主要为火电厂和风光等分布式新能源。由于缺少足够的快速调频备用资源，高新能源渗透率的新型电力系统更易受到扰动而破坏频率稳定。电池储能系统在源侧主要参与电网的调峰调频以平滑出力，用于改善电能的质量。火电厂和新能源电厂对储能的需求各不相同。火电厂小功率波动过多，对储能功率特性需求更高；新能源电厂随机性和波动性性更强，对储能容量特性需求更高，要求长时储能。

 2.2  网侧 

随着负荷需求和新能源渗透率的不断增大，电网需要不断更新扩容输变电设备、提高输电能力。受用地成本和环保影响，输电线路的建设成本越来越高，建设周期也越来越长。为提高电网的输电能力，在网侧接入的大规储能设备可用作输变电设备的备选措施。 

配置了构网型储能的电力系统在单相故障发生后过电压水平更低，且电压恢复速度更快。 锌铁液流电池储能可采用构网型技术，为电力系统提供更稳定的电压支撑。

 2.3  荷侧 

电力供应网络的结构通常错综复杂。用户获取的电能质量（电压、电流和频率等）存在着一定的波动性。 

锌铁液流储能等储能设备布置在用户侧，可简洁有效地为电网提供优质电力。当电源网络出现故障发生停电时，储能设备可以作为后备电源，保证重要供电设备不间断供电，改善供电系统的安全性。同时，在有关政策驱动和技术法规的许可下，储能系统还能通过参与电力市场进行峰谷套利，一定程度上提高储能的经济效益。

三、锌铁液流电池储能的关键应用技术问题 

目前，电力系统储能领域应用最广泛的是锂离子电池，而规模化锌铁液流电池储能尚需要进一步降低运营成本、提高在电力系统各场景的参与度与贡献度、提升应用的经济价值。 

本文参考现有电池储能相关研究成果，总结了规模化锌铁液流电池储能应用需解决的关键技术。 

 2.3  源网荷储一体化 

核心问题定位：锌铁液流电池在源网荷储一体化中的应用需解决储能配置优化和多能互补协调两大关键技术。

一体化核心目标：通过整合本地发电、电网、负荷及储能资源，实现电力系统在规划、设计、建设、运营全环节协同优化，提升整体效率。

关键考量包含：储能系统在运行中的实际效能衰减和寿命损耗；促进风电/光伏等波动能源的高效利用；保障区域电网的可靠运行；以及经济性目标。

 2.3  高新能源渗透率下电网的稳定性控制 

新能源高渗透率下，发电系统趋于电力电子化，惯量、有功无功控制、故障穿越等涉网控保持性不同于常规电源，如下表所示。

核心解决方案：构网型储能

构网型储能主要通过有功环控制转速角，无功环控制电压幅值响应网侧有功和无功的波动，提供稳定的电压和频率支撑。 构网型储能参与含高渗透率新能源电力系统运行优化策略以及构网型储能变流器的稳定控制，是储能应用的关键问题。

优化策略方面：

• 构建构网型储能控制策略的 定量评价指标体系

• 提出并联构网储能的 协调有功控制策略

• 开发基于虚拟母线电压的 变流器稳定性优化方法

稳定控制控制方面：

锌铁液流电池储能应具备在电力系统频率稳定、静态电压稳定以及暂态电压稳定控制中发挥作用的能力。 

储能规划配置方面：

• 储能选址定容 双层优化模型，以兼顾经济性+电网功角稳定性

• 嵌入线性化稳定性约束的调度模型，以提升风电场调频能力+保障电压稳定

• 验证储能对新能源电网静态稳定性的提升

• 基于粒子群算法的 网储联合规划，以协调风电不确定性+经济性+电压稳定

   

 2.3  参与电力市场及辅助市场等的经济效益 

储能项目的经济性评估对决策者和投资者而言至关重要。通常采用平准化度电成本、内部收益率和净现值来评估储能项目的可行性、盈利能力和回报周期。

考虑锌铁液流储能全生命周期的LCOE主要涉及储能投资成本和设备运维成本。 锌铁液流电池储能经济性运营考虑场景大致可分为成本、电力市场、租赁市场和辅助市场这4个部分，如下图所示。

四、规模化锌铁液流电池储能应用的展望 

下表列举了近些年国内外已投产运行或在建的锌铁液流电池储能系统典型示范工程。

针对当前存在的关键问题，为满足低成本大规模长时储能，对规模化锌铁液流电池储能系统的商业化应用提出以下几点展望： 

1）应加快锌铁液流电池正负极材料、电解液等电池材料的研发投入，如制备更高机械强度的离子传导膜；同时大力推广诸如优化电场分布、强化离子迁移和锌诱导沉积等抑制锌枝晶的技术，以满足锌铁液流电池规模化商业应用要求。 

2）应提升锌铁液流储能在电力电子化电力系统中维稳作用，同时将新型电力系统数字化技术赋能于源网荷储一体化控制及多能流互补中，提升整个系统的资源配置能力和安全高效运营。 

3）应考虑经济性投资的回报和可持续性发展，高效调控锌铁液流电池储能参与电力市场和辅助市场等经济运营场景，提高锌铁液流电池储能的内部收益率和净现值，提高规模化锌铁液流电池储能的商业应用潜力。

文章节选自：王少鹏，梁沛祺，罗轩，许诺，方斯顿．新型电力系统中锌铁液流电池储能.应用研究综述[J/OL]．电力科学与工程. 

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液流电池（Flow Battery）是一种可充电电池，它通过液体电解质的流动来存储电能。与传统的固态电池（如锂离子电池）不同，液流电池的能量存储组件（电解质）是分离的，通常储存在外部容器中，在充放电过程中通过电池单元循环。

液流电池是一种活性物质存在于液态电解质中的电池技术，电解液在电堆外部，在循环泵的推动下流经电堆，实现化学能与电能的转换。国际上液流电池主要有全钒液流电池、锌溴电池、铁铬电池、多硫化钠溴电池4种技术路线。

其中全钒液流电池目前产业链建设和技术成熟度相对较高。全钒液流电池系统由功率单元（电堆），能量单元（电解液和电解液储罐），电解液输送单元（管路、阀、泵、传感器等辅助部件）以及电池管理系统等组成。其中，电堆由离子交换膜、电极、双极板、电极框、密封等材料构成。液流电池生产线包括（双极板，膜裁切，碳毡裁切，电堆堆叠组装）等。欢迎申请加入微信群。

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