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？
# 撰文 | 品茶煮酒 编审 | 宇傅
液流电池技术可分为双液流电池和单液流电池。其中，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类型。
单液流电池具有液流电池的显著特点，其能量主要通过储液罐和泵将电解液在电池内外循环，最大的区别在于它不需要隔膜，只需一个储液罐，从而大大简化了内部设计。
在当前质子交换膜对液流电池的性能和成本起着重要影响的情况下，单液流电池提供了一种新的解决方案，无需隔膜即可实现电池运行。
此外，与双液流电池相比，单液流电池具有单一电解液的先天优势，无隔膜设计有效避免了双液流电池可能出现的溶液交叉污染等问题。
01. 概述
为了克服双液流电池的多个缺点，英国的Pletcher教授及其研究小组在深入了解传统铅酸电池的基础上，于2004年提出了一种全沉积型的单液流电池体系。
该电池采用简单的结构，将正负极置于同一反应池中，并使用酸性甲基磺酸铅溶液作为电解液，同时正负极均采用惰性导电材料（如碳材料）作为电极基底。
在充电过程中，电解液中的Pb²⁺发生还原反应，在负极生成金属Pb并沉积在负极基底上；同时，Pb²⁺在正极发生氧化反应，生成PbO₂并沉积在正极基底上。
由于在一定温度范围内，沉积产生的活性物质Pb和PbO₂都不溶于甲基磺酸溶液，因此该单液流电池体系不存在正负极活性物质相互接触的问题，因此无需使用离子交换膜，甚至连单液流电池中的透性隔膜也不需要。
这也意味着不再需要使用两套电解液循环系统，从而大大降低了液流电池的成本。
02. 绿色铅盐单液流电池
绿色铅盐单液流电池是由西安理工大学刘政及其团队在Pletcher教授铅酸单液流电池的基础上开发的。
刘政参与创办的西安秦源智科储能科技有限公司在2022年成立，他们的电池系统已经完成下线验证组装，正式进入规模化生产阶段。
据了解，绿色铅盐单液流电池的成本与锂电池相当，关键在于消除了电堆中的一层隔膜，而是采用高分子聚合物在正极和负极之间进行衔接，形成双极性结构。
这种设计使得电池具有更高的能量密度和功率密度，同时降低了系统的复杂性和成本。这一改变并不会影响电流效率，目前转化效率可达81%。
03. 锌溴单液流电池
2017年，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投入运行。
该锌溴单液流电池储能示范系统包括一套电解液循环系统、4个独立的千瓦级电堆以及相应的电力控制模块。
经过现场测试，该系统在额定功率下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。
锌溴单液流电池与传统液流电池技术有所不同，它采用正负极相同的电解质溶液，只需要一套电解液储存和循环系统。
该技术具有结构简单、能量密度高和成本低等优点，适用于百千瓦及以下级别的分布式储能系统。此外，单液流结构将溴封闭在正极内，解决了溴对管路系统的腐蚀问题。
另外，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。它也具备单液流电池的特点，无需膜隔离，仅需要一个电解液循环系统。
04. 锌镍单液流电池
2007年，解放军军事科学院防化研究院的研究员程杰和院士杨裕生共同开发了锌镍单液流电池，将锌镍二次电池与液流电池的优势相结合。
类似于锌溴单液流电池的结构，锌镍单液流电池采用相同的电解质，无需离子交换膜，具有简单的结构。
在产业化方面，国内的超威集团、张家港智电芳华公司以及大连化物所，以及美国纽约城市大学和英国埃塞克斯大学在2009年和2016年分别进行了锌镍单液流电池技术的开发。
目前，锌镍液流电池仍处于商业示范阶段，尚未出现商业化项目。
在实验室阶段，锌镍液流电池显示出较好的综合性能，并进行了初步的应用示范。然而，由于镍的价格快速上涨，锌镍单液流电池的竞争力迅速减弱，技术的开发和部署进展较为缓慢。
在技术层面上，锌枝晶的形成和积累导致电池短路，以及寿命降低的问题仍需进一步研究。此外，锌镍单液流电池的正负极面积容量较低且功率与容量不能完全解耦，同时电池正极需要高成本的烧结镍才能保证较长的寿命，这些问题仍待解决。
05. “长时储能黑马”
在液流电池技术领域中，全钒液流电池被认为是具有强大竞争力的长时储能技术。然而，初始投资成本仍然是全钒液流电池技术发展的一大障碍。
相较于传统的双液液流电池，单液液流电池无需隔膜，降低了成本并简化了电池系统的复杂度。
据公开信息，秦源智科绿色铅盐单液流电池的成本仅为1.3元/Wh，基本与锂电池价格持平，能量转化率目前可达81%。
该电池定位于中大型储能市场，可广泛应用于新能源发电配套储能、电网调峰调谷、工商业用户的峰谷套利和稳定应急电源等领域。
自2007年锌镍单液流电池被提出以来，其在电池结构、电极材料等方面的性能有所提升，电堆的结构、尺寸、容量和能量效率不断优化。
目前，锌镍单液流电池已经研发出了第三代规模化产品。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%。该系统的成本约为2600至3500元/kWh。
未来单液液流电池能否在不断升温的长时储能市场中站稳脚跟还难以确定。但随着性能的提升和商业应用的扩大，目前相对较小众的单液液流电池可能成为长时储能技术的重要发展方向。
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