全钒液流电池用关键材料技术指标特性需求分析和产业发展状况
作者：李全龙，陶媛媛，王梦迪，穆生胧，张蓉蓉，倪胜蓝，刘宗浩
单位：大连融科储能技术发展有限公司
摘要：离子交换膜、电极、双极板和钒电解液是全钒液流电池的关键材料，对于全钒液流电池的性能和成本具有至关重要的影响。关键材料技术指标是衡量关键材料能否在全钒液流电池中应用的标准，是关键材料供应商出厂检验和全钒液流电池厂商入场质检的重要依据。本文从产业发展和应用角度出发，首先详细介绍了全钒液流电池关键材料的特性需求及相关技术指标内容，以便增强电池上游关键材料供应商对技术指标的理解，指导关键材料开发和优化方向。其次，简要阐述了现阶段关键材料主要类型、生产工艺及其产业发展状况，有助于增强全钒液流电池行业从业人员对上游关键材料供应链情况的了解和把控。另外，从全钒液流电池行业发展角度出发，讨论了关键材料现阶段研究重点以及未来产业化发展要求和方向。本文提出，在保证全钒液流电池性能的前提下，成本指标和寿命指标是关键材料未来产业化关注的核心指标，是降低全钒液流电池系统成本，延长全钒液流电池服役年限，提升全钒液流电池市场竞争力的重要保障。
全钒液流电池以其安全性好、长寿命、功率单元和容量单元解耦、容量可恢复等特点，在大规模长时储能领域具有显著优势，已经成为目前技术成熟度最高、商业化进程最快的液流电池技术。但全钒液流电池也面临系统效率低、成本高、能量及功率密度低等诸多问题，阻碍了全钒液流电池产业化推广及应用。因此，如何进一步优化和提升全钒液流电池产品及技术指标便成为推进全钒液流电池行业可持续发展的重要方向。
全钒液流电池系统主要是由电堆、钒储能介质（即钒电解液）以及配套的循环系统等组成。正负极钒电解液在电堆中发生电化学氧化还原反应实现电能和化学能的相互转化。如图1a所示，在充电时，正极发生氧化反应，四价钒离子（VO2+）失去电子被氧化成五价钒离子（VO2+），钒离子价态升高（式(1)）；负极发生还原反应，三价钒离子（V3+）得到电子被还原为二价钒离子（V2+），钒离子价态降低（式(2)）。放电过程则与之相反。电池总反应如式(3)所示，其标准电动势为1.255V。
如前所述，电堆是钒电解液中钒离子进行氧化还原反应的场所，电堆和钒电解液的性能对全钒液流电池的整体性能有关键影响。如图1b所示，电堆主要是由离子交换膜、电极、双极板以及电极框、密封材料、紧固组件等组装而成，其中直接参与导电和电化学反应的离子交换膜、电极和双极板材料对电堆的性能及成本有至关重要的影响。因此，离子交换膜、电极、双极板以及储能介质钒电解液被称为全钒液流电池关键材料。
近些年来，全钒液流电池行业得到了快速的发展，上游关键材料产业链也在不断完善，越来越多关键材料供应商在增强关键材料研发能力的同时，建立了充足的产能。技术指标是衡量关键材料能否在全钒液流电池中应用的标准，是供应商出厂检验和全钒液流电池厂商入场质检的重要依据。本文从产业应用的角度出发，介绍了全钒液流电池用关键材料技术指标特性及其需求分析，以及产业发展现状，讨论了关键材料研究重点及未来产业化发展目标，旨在指导关键材料技术发展方向，促进关键材料未来产业化发展。
1 离子交换膜
在全钒液流电池中，离子交换膜起着阻隔正负极钒离子，避免交叉互混，同时导通氢离子形成电池内部导电回路的作用。离子交换膜的核心技术指标是膜离子导电性和离子选择性。此外，为了保证电堆组装和运行需求，还需要关注厚度及其均匀性、尺寸变化率、机械性能、耐久性等技术指标。
1.1 离子交换膜技术指标及其特性需求分析
1.1.1 离子导电性
膜的离子导电性反映了膜传递氢离子的能力，通常使用膜离子电导率和膜面电阻这两个指标加以衡量。在相同情况下，膜离子导电性越好，氢离子跨膜运输速度越快，膜面电阻越低，由膜本体带来的极化内阻也越低，有助于减少电池欧姆极化损失，提升电池的电压效率。
1.1.2 离子选择性
离子选择性反映膜阻隔正负极活性钒离子互串的能力，即在保证氢离子正常跨膜运输导通电池回路情况下，选择性的阻碍钒离子的跨膜迁移。良好的离子选择性可以降低正负极活性钒离子跨膜自放电带来的能量损失，有助于提高钒电池的库仑效率。
在此值得说明的是，钒离子与氢离子都是阳离子，理论上都可以通过离子交换膜进行跨膜运输，因此离子交换膜的导电性与离子选择性有一定的相关性，即导电性越高，钒离子进行跨膜运输的能力可能会提高，导致离子交换膜的离子选择性下降，因此，如何平衡离子交换膜的导电性和离子选择性，使电池达到最优的能量效率是本领域研究的重要课题。
1.1.3 厚度及其均匀性
在钒电池反应中，氢离子通过跨膜运输来实现电池内部导电回路，厚度大小也意味着氢离子跨膜运输路径的长短，会直接影响膜面电阻和离子选择性。膜厚度越大氢离子跨膜运输的路径越长，膜面电阻越大，与此同时，钒离子跨膜运输障碍也会加大，钒离子跨膜迁移变少，因此合适的厚度是离子交换膜最基本的要求。膜厚度均匀性会影响电池运行中电流密度的分布，均匀性越好，电流密度分布越均匀，由此带来的电池极化损失也越低，减少电池副反应发生的概率。另外，厚度均匀性在一定程度上也会影响电堆边缘密封的效果，厚度均匀性越差，多节单电池组装后，电堆厚度偏差累积也会越大，增加电堆因密封效果变差带来的漏液风险。
1.1.4 尺寸变化率
尺寸变化率反映离子交换膜在空气湿度变化或与电解液接触后其自身的形变情况，控制尺寸变化率主要是为了避免因膜尺寸变化带来的电堆组装障碍和影响电堆性能的风险。目前，在钒电池电堆生产过程中，离子交换膜主要有两种组装工艺，即湿装工艺和干装工艺。湿装工艺是指膜在组装电堆前，先将膜浸泡到去离子水或膜预处理溶液中，取出后以湿态膜组装到电堆中去。在这种电堆组装工艺下，膜的尺寸变化率基本不会对电堆组装过程有影响，因此，对膜自身的尺寸变化率要求不高。随着电堆密封技术的进步，激光焊接工艺和热熔密封工艺的使用提高了电堆的组装效率和密封效果，但这也促进了电堆中膜组装工艺从湿装工艺到干装工艺的转变，而膜干装工艺就要求电堆组装车间需要严格控制空气湿度，避免膜在不同湿度下尺寸发生变化，进而造成电堆组装障碍；另外，在干膜组装到电堆中后，电池测试或运行时，钒电解液会直接与膜接触，若膜的尺寸变化率较大，则会使电堆中膜发生溶胀，导致膜反应区面积变大，以致影响电堆性能。因此，膜尺寸变化率需要根据实际电堆组装工艺情况进行限定和控制。
1.1.5 机械性能
机械性能通常包括膜的拉伸强度和断裂伸长率等指标，主要保证膜在电堆组装和运行过程中，膜本身具有足够的强度和韧性，不受外力的破坏和其他影响，以及保证膜在电堆故障情况下（如单极侧泵停止工作等），膜可以抵抗正负极之间的较大压力差。另外，基于电极（主要是碳毡类电极）组装过程中，电极与膜接触面上的纵向纤维有刺穿膜的风险考虑，部分液流电池厂商会考察膜在干态和湿态下的穿刺性能指标，来减少电池运行过程中的内漏风险。
1.1.6 耐久性
全钒液流电池需要保证至少25年，20000次循环的使用寿命，离子交换膜在电池运行时处于强酸、强氧化、强电化学腐蚀等严酷的环境条件，因此对离子交换膜的耐久性有了较高的要求。在电池运行过程中，要求离子交换膜在寿命周期内，保证其离子交换功能，膜分子等不发生显著降解或改变，不影响电池正常运行。
以上膜技术指标为行业通用指标，目前，现行适用于钒电池用离子交换膜的标准为国家能源行业标准 NB/T 42080-2023《全钒液流电池用离子传导膜 通用技术条件和测试方法》。该标准中对离子交换膜的技术指标要求如表1所示。
除上述技术指标外，通常也会使用单电池效率作为衡量离子交换膜性能的重要参考。对于离子交换膜来说，直接相关的指标为库仑效率和电压效率，库仑效率主要反映出膜的离子选择性，离子选择性越好，阻钒能力越强，单电池库仑效率越高；电压效率主要反映出膜的面电阻，膜面电阻越低，支撑离子跨膜运输障碍越小，由膜内阻带来的电压损失也越小，电压效率越高。尽管单电池库仑效率和电压效率是前述膜基础物理性能指标的反映，但由于全钒液流电池充放电运行过程是一个复杂的过程，涉及到流场、电场、温度场、电化学场等多种因素，因此，最终膜的评价指标还需依赖单电池测试评价结果。
1.2 离子交换膜产业现状
目前为止，商业化全钒液流电池用离子交换膜有全氟磺酸离子交换膜、聚苯并咪唑离子交换膜以及多孔离子传导膜等类型。其中全氟磺酸离子交换膜是钒电池行业使用量最大的离子交换膜。
1.2.1 全氟磺酸离子交换膜
全氟磺酸离子交换膜是指采用全氟磺酸树脂制成的一种阳离子交换膜，其最初是由美国杜邦（DuPont）公司研制而成，最早应用于氯碱工业，而后又应用于质子交换膜燃料电池，近年逐渐应用于液流电池领域。在全氟磺酸离子交换膜中，主链和侧链具有全氟结构，由于碳-氟键键能（485kJ/mol）远远高于碳-氢键键能（86kJ/mol），这使得全氟磺酸离子交换膜具有十分优异的化学稳定性，因此适合化学环境较为苛刻的全钒液流电池体系。
最早应用于液流电池中的是美国杜邦公司的Nafion系列全氟磺酸离子交换膜产品，如Nafion 117和Nafion 115以及后来为液流电池开发的Nafion 212膜（厚度约为50μm）。长期以来，全钒液流电池用离子交换膜主要依赖于进口，近些年来，随着液流电池和氢能等新能源行业的发展和技术的进步，越来越多的本土企业投入到全氟磺酸离子交换膜的研发和生产中，开发厚度为45-60μm范围的“类Nafion 212”的全钒液流电池用全氟磺酸离子交换膜材料，如苏州科润新材料股份有限公司、山东东岳未来氢能材料股份有限公司以及沈阳科京新材料有限公司等，均已建成每年数十万平方米的产能，基本完成全氟磺酸离子交换膜的国产替代工作，满足目前全钒液流电池市场需求。除此之外，在氢燃料电池领域广泛应用的增强型全氟磺酸离子交换膜（即在均质全氟磺酸膜内部引入EPTFE增强网层）也在向液流电池领域布局和开发，如美国戈尔（Gore）公司、上海汉丞实业有限公司等。
对于全氟磺酸离子交换膜来说，无论是传统的均质膜还是改进后的增强膜，其制膜工艺成熟，技术壁垒相对不高，影响全氟磺酸离子交换膜行业发展瓶颈的是制膜原料——全氟磺酸树脂。全氟磺酸树脂一般是通过四氟乙烯/六氟丙烯单体与全氟乙烯基醚类单体通过分子设计共聚制备而成，其反应涉及到高温、高压、气体反应等苛刻条件，技术壁垒较高，并且生产企业需要氟化工与相应的环保资质，因此每年全氟磺酸树脂全球产量也不过数百吨，价格居高不下，严重限制了全氟磺酸离子交换膜行业的发展。近些年来，以苏州科润新材料股份有限公司为代表的国产企业通过自主研发和技术攻关，成功开发出高性能全氟磺酸树脂，产线已于福建建成投产，一期产能达150吨/年，进一步加快全氟磺酸树脂国产化进程。
1.2.2 聚苯并咪唑离子交换膜
聚苯并咪唑离子交换膜是聚苯并咪唑树脂通过挤出成型/流延成型工艺制备而成的离子交换膜。相比于全氟磺酸离子交换膜来说，聚苯并咪唑膜是一种非氟类型离子交换膜，其耐化学腐蚀性相对较差，但成本相对便宜，在全钒液流电池领域的应用相对不多，在其他运行条件相对温和的液流电池中具有广泛的应用价值。聚苯并咪唑膜国内主要供应厂商为中科能源材料科技有限公司、山东正熵能源科技有限公司等。
1.2.3 多孔离子传导膜
多孔离子传导膜是基于多孔离子筛分原理，通过控制离子膜孔径的尺寸大小，使活性物质和导电离子选择性的阻隔/透过离子传导膜，以达到形成电池闭合回路的目的。其最初是由中国科学院大连化学物理研究所张华民团队提出构想并开发而成，这种多孔离子膜摒弃了传统具有离子交换基团的离子传导膜容易降解稳定性较差的问题，原创性的提出不含离子交换基团的离子膜材料。其可以通过相转化法、溶剂蒸发诱导相转化法等工艺制备而成，该技术目前正处于商业化的初级阶段。多孔离子传导膜也可以分为含氟材质和非氟材质，在保证材料性能和成本的同时，也需要重点考察膜的耐久性性能指标。
2 电极
在全钒液流电池中，电极材料为正、负极电解液中钒离子的氧化还原反应提供反应场所，电解液中的钒离子在电极-电解液界面接受电子或给出电子来完成电化学反应，从而实现电能与化学能之间的转变，完成能量的存储和释放。钒电池用电极材料的核心技术指标是电子导电性和电化学活性。此外，为了保证电堆组装和运行需求，还需要关注厚度及其均匀性、表观密度（或体密度）以及耐久性等。
2.1 电极技术指标及其特性需求分析
2.1.1 电子导电性
电极的电子导电性反映了电极传导电子的能力，通常使用面电阻率这一指标来进行衡量。面电阻率反映出电极在一定压缩率下，电极本体导电性能情况，面电阻率越低，其电子导电性能越好，相同情况下，电池极化损失越低，电压效率越高。在一些情况下，为了测试方便，也可以使用对角电阻这一指标来对比相同尺寸下不同电极材料电子导电性能的优劣或进行品质控制。
2.1.2 电化学活性
在钒电池的电池反应中，钒离子在电极表面进行氧化还原反应来实现电子的传递与转移，因此电极表面的电化学活性对于钒电池来说至关重要，电化学活性是电极性能的重要技术指标。理论上讲，一般可以通过循环伏安法（Cyclic Voltammetry，CV）来测试钒离子在电极表面反应的可逆性，或者测试电化学活性面积（Electrochemical Active Surface Area，ECSA）来衡量电极表面可供反应的活性位点数/面积。但是，在钒电池的实际应用中，这些表征方法目前仅限于理论或实验室层面，对于结构相对复杂的碳纤维毡/布电极，其测试的精确性、重复性以及认可度尚未达到行业共识，电化学活性测试结果与对应电池的性能关系也不十分明确，因此，全钒液流电池用电极的电化学活性表征工作仍需要大量的工作来进行完善。
2.1.3 厚度及其均匀性
在电堆组装过程中，电极需要与电极框配合，实现一定程度的压缩来降低本体电阻和电极与双极板之间的接触电阻。一般来讲，电极框材料厚度是在确定电极厚度下进行选择和设计的，在电极框厚度和电堆组装压力一定的条件下，电极厚度偏低会使电极压缩不够充分，增大本体电阻，并且电极与双极板间接触力偏低，增大二者之间的接触电阻；电极厚度偏高会使电极压缩量过大，虽然在一定程度上会降低本体电阻和与双极板之间的接触电阻，但是会大幅增加电解液流经电极的流动阻力，增加系统泵耗，与此同时也会增加电极表面纵向纤维刺穿隔膜的风险。电极厚度均匀性会影响整张电极不同位置的压缩率，均匀性不良会造成电极本体电阻和与双极板间接触电阻差异偏大，导致电极表面电流密度分布不均，由此带来的电池极化损失也增大，提高了电池副反应发生的概率，进而影响电池效率和充放电容量。
2.1.4 表观密度（或体密度）
截至目前，表观密度（或体密度）指标没有与电池最终性能有直接相关性，该指标与电极制造工艺有关，包括预氧纤维毡/布的生产制备工艺以及后续的预氧纤维碳化石墨化工艺等，可以作为电极材料供应商出厂品质控制指标或采购方入厂质检批次稳定性指标来进行选择应用。
2.1.5 耐久性
尽管全钒液流电池用电极主要为多孔碳基材料，具有十分优异的耐电解液腐蚀性，但是，电极出厂前需经过活化处理工序，在活化工序中，电极表面引入的活性官能团或其他活性物质可能会随着电池反应的进行而逐渐降解或转变，这使得电池的性能会有一定程度的衰减，因此，电极活化工艺会直接影响电池的效率，从而影响电池的耐久性和寿命。
在实际电极材料选择过程中，还需要关注电极在电池运行条件下的析氢和析氧的过电势。在钒电池充电过程中，在正极，如果电极材料析氧过电势较低，氧气容易析出，导致电解液中氢离子浓度增加，同时会导致电极表面的氧化腐蚀；在负极，如果电极材料析氢过电势过低，氢气容易析出，不仅会消耗电解液中的氢离子，还会降低电池的库仑效率。因此可以通过优化电极材料的组成和表面结构，选择具有较高析氢和析氧过电势的电极材料，有效抑制电池副反应的发生，从而提升钒电池的性能和稳定性。
以上指标为行业常用指标，目前，电极材料具体技术要求尚无行业通用标准约束，各钒电池企业可根据自身需求情况与供应商进行技术指标协商。电极技术指标测试方法可参照能源行业标准NB/T 42082-2016《全钒液流电池 电极测试方法》进行评估。
除上述技术指标外，通常也会使用单电池效率作为衡量电极材料性能的重要参考。对于电极材料来说，直接相关的指标为电压效率和能量效率。电压效率一方面能反映出电极本体电阻以及与双极板间接触电阻（即欧姆极化）情况，电极本体电阻和与双极板间接触电阻越低，由此带来的电压损失也越小，电压效率越高；另一方面也能反映出钒离子在电极表面反应的难易程度，电极反应活性越高，钒离子在电极表面反应越容易，电化学极化越低，电压效率和能量效率越高。除此之外，电极结构也会影响电解液在电极中的传质过程，会在一定程度上影响电池的浓差极化，对最终的电压效率和能量效率产生一定的影响。
2.2 电极材料产业现状
目前为止，全钒液流电池用商业化电极最主要为活性碳/石墨纤维毡（简称碳毡）和活性碳/石墨纤维布（简称碳布）两种材料，这两种电极材料具有良好的电化学反应活性和导电性能以及优异的耐电解液腐蚀性，并且具有稳定的三维网络结构、适中的孔隙率和分布均匀孔结构，为钒电解液的流动提供合适的通道，可以实现活性物质的有效传输和均匀分布。
2.2.1 碳毡电极
碳毡通常是利用预氧纤维通过无纺针刺工艺制备预氧毡，再经过碳化、石墨化以及活化工艺制备而成。一般情况下，全钒液流电池用碳毡的厚度为2.0-6.0mm范围不等，其孔隙率可达90%以上，纤维孔道彼此联通，使电解液能够顺利流过，增加与活性物质的接触面积，促进电化学反应的进行。
碳毡电极目前已经完全基本实现了国产化，国内企业如辽宁金谷炭材料股份有限公司、四川省江油润生石墨毡有限公司、江苏米格新材料股份有限公司等，均已建成碳毡每年数十万平方米的产能，基本满足目前国内全钒液流电池市场需求。
尽管如此，碳毡电极行业的发展也存在制约瓶颈因素。液流电池用碳毡电极的生产工艺与光伏行业保温毡十分相似，均是将聚丙烯腈（PAN）基预氧毡进行碳化石墨化等高温处理工艺制备而成，其设备在一定程度上可以通用，因此，目前很多液流电池用碳毡电极供应商都是从光伏保温毡行业转型而来，然而，液流电池用碳毡电极具有更加严格的技术要求，比如厚度及其均匀性、电化学活性及电池性能等，这使得碳毡电极对上游原料的品质如预氧丝来源、预氧毡织毡工艺品质控制等方面都有极为严格的要求。目前为止，国内液流电池碳毡电极主要是使用日本东丽（原美国Zoltek）预氧丝，经必达福（BWF）中国公司连续化无纺针刺织毡工艺制备而成的高品质预氧毡，再由各碳毡电极厂商经过碳化、石墨化和活化工艺制备而成。其中，预氧丝和预氧毡均为单一来源，这在很大程度上限制了国内碳毡电极的发展。目前国内相关企业已经积极开展预氧丝和预氧毡国产化开发工作，电极产业链国产化进程进入了快速发展期：金山石化、吉林碳谷等企业开发出适合于液流电池电极的预氧丝，并在小范围内进行了试制和验证；江苏米格新材料公司引进了德国Dilo针刺装备，部分企业也在开发国产化针刺设备，来共同推进高品质预氧毡的国产化进程。相信在不久的将来，本土企业将完全打破国外预氧丝和预氧毡的技术瓶颈和垄断地位，为全钒液流电池行业的发展起到促进作用。
2.2.2 碳布电极
碳布电极是由碳纤维通过整体穿刺织物编织工艺制备得到碳布组织，再经过活化工艺处理制备而成。根据编制工艺的不同，碳布可具有平纹组织、斜纹组织和缎纹组织等结构；一般情况下，液流电池用碳布的厚度为0.1-0.8mm范围不等，其孔隙率通常为80%-85%。不同组织结构和孔隙率在一定程度上共同影响电解液在碳布中的流动状况。
目前，与碳毡电极相比，碳布电极在液流电池中商业化应用相对不多，仅在部分小规模全钒液流电池和铁铬液流电池中有所应用，其可能原因是：1）碳布具有相对较低的孔隙率，使其不能提供充足的活性反应面积；2）碳布具有更薄的厚度，会增加较大尺度下电堆的内部电极压缩的一致性，造成电堆组装困难。尽管如此，碳布电极具有良好的柔韧性和更低的面电阻等方面的优势，随着电堆技术的开发和新型结构电堆的设计，碳布电极将会有更加广泛的应用前景。
碳布电极目前已经完全实现了国产化，国内企业如辽宁金谷炭材料股份有限公司、嘉兴纳科新材料有限公司和辽宁奥亿达新材料股份有限公司等均具有一定的研发能力和量产能力，基本满足现阶段市场需求。
3 双极板
双极板是液流电池电堆的关键部件之一，在电堆中起到连接相邻单电池的正负极并导通电流的作用，对电池的电压效率和能量效率有显著影响，因此，双极板最核心的技术指标是电子导电性。此外，为了保证电堆组装和运行需求，还需要关注厚度及其均匀性、机械性能、阻液性以及耐久性等技术指标。
3.1 双极板技术指标及其特性需求分析
3.1.1 电子导电性
双极板的电子导电性反映双极板本体传递电子的能力，通常使用体电阻率或面电阻率来衡量。双极板电子导电性越好，其本体电阻带来的电压损失越低，电池电压效率越高。此外，在电池运行过程中，双极板与压缩状态下的电极材料接触，电子在双极板与电极间相互传递，会在二者界面处产生接触电阻，也会影响电池的电压效率，因此双极板与电极间的接触电阻也是衡量双极板性能的重要技术指标。
3.1.2 厚度及其均匀性
双极板的厚度会影响板本体电阻大小和原材料使用量，一般情况下，在要求双极板在保证机械强度和阻液性的前提下，要尽可能降低双极板厚度，以降低双极板的本体电阻，减小双极板材料使用量，进而降低双极板的成本，减轻电堆重量。双极板厚度均匀性同离子交换膜厚度均匀性和电极厚度均匀性指标类似，厚度均匀性较差会使双极板反应区电流密度分布不均，也会使影响电堆边缘密封带来影响，增大电堆因密封效果变差带来的漏液风险。
3.1.3 机械性能
机械性能通常包括双极板的拉伸强度和弯曲强度等指标，主要保证双极板在电堆组装和运行过程中，本身具有足够的强度和韧性，不受外力的破坏和其他影响，以及保证双极板在电堆故障情况下（如单极侧泵停止工作等），可以抵抗正负极之间的较大压力差。
3.1.4 阻液性
双极板的基本要求是隔绝电堆中相邻两节单电池正负极电解液，因此双极板需要具有良好的阻液性，即避免双极板两侧电解液透过双极板发生互串渗透现象。如果双极板阻液性不良，电解液从板的一侧渗透到另一侧，电池就会发生内部短路，造成容量衰减甚至无法充电现象的发生。
3.1.5 耐久性
双极板耐久性要求同离子交换膜和电极类似，与液流电池的寿命息息相关，在此不做赘述。以上双极板技术指标为行业通用指标，目前，现行适用于钒电池用双极板的标准为国家能源行业标准NB/T 11203-2023《全钒液流电池用碳塑复合双极板技术条件》，该标准中对双极板的技术指标要求如表2所示。对应技术指标的测试方法可参见NB/T 42007-2013《全钒液流电池用双极板测试方法》进行测试。
3.2 双极板产业现状
目前，全钒液流电池可选择的双极板材料主要包括纯石墨双极板、金属材料双极板和碳塑复合材料双极板。纯石墨双极板具有良好的导电性和化学稳定性，但是其质地较脆，加工和安装过程中容易碎裂，导致厚度较厚，且加工成本较高，在大规模应用中受到限制；金属材料双极板具有较高的机械强度和韧性，导电和导热性能好，同时金属材料良好的机械加工性能使得流场易于加工成型，但金属材料在酸性电解液中耐腐蚀性能较差，不能满足电池长期稳定运行的需求。碳塑复合材料双极板是以导电碳填料和高分子树脂为原料制备而成，同时具有高分子树脂良好的机械强度和加工性能以及导电碳填料优异的导电性能,近年来受到了研究者们的广泛关注。目前全钒液流电池领域其中使用最为广泛的为碳塑复合材料双极板。
碳塑复合材料双极板的生产工艺主要有三种，即挤出成型双极板、模压成型双极板和浸渍工艺双极板。挤出成型双极板是将较高含量的热塑性高分子树脂（通常大于40wt%）与碳材料/填料混合密炼造粒后，通过单/双螺杆挤出机挤出成型而成，其电导率通常为10-20S/cm，生产连续化程度较高，成本较低；模压成型双极板是将较低含量的树脂（通常小于20wt%）与可膨胀石墨或其他碳材料均匀混合后，在高温高压条件下进行模压成型，其电导率可达300S/cm 以上，生产连续化程度相对受限，且成本较高；浸渍工艺双极板是将柔性石墨板坯板模压到一定厚度后，将其浸渍于液态树脂/树脂溶液（树脂通常为丙烯酸类树脂）中，利用负压或真空环境，将树脂分子渗透入柔性石墨板坯板孔隙中，再取出后于一定条件下固化，得到成品板。这种工艺制备的双极板电导率也可达300S/cm以上，适合在板上进行流道设计，但是机械强度相对较低，工艺流程相对复杂，成本也略高。
在以上三种类型双极板中，挤出成型双极板应用最早且最为广泛，生产技术难度相对较低，部分液流电池厂家具有自主生产挤出成型双极板的能力，此外，南京旭能瀚源新材料有限公司等材料厂家也可以提供挤出双极板材料。近些年，随着液流电池技术的发展，行业对双极板性能有更高的要求，模压成型双极板逐步取代传统挤出成型双极板，拥有广泛的应用，国内厂家如威海南海碳材料有限公司、宁波信远炭材料有限公司等均已建成每年数十万平方米的产能，充分满足现阶段模压成型双极板的需求。对于浸渍工艺双极板，其已经在燃料电池领域具有较为广泛的应用，该技术主要源于加拿大巴拉德（Ballard）公司，国内企业如广东国鸿氢能科技有限公司、青岛杜科新材料有限公司以及山东博远新材料科技有限公司等均具有一定的研发和量产能力，但是由于浸渍工艺双极板在全钒液流电池中的应用仍有一些区别于燃料电池的特性问题需要解决（如机械强度问题、耐化学腐蚀问题等），因此，该技术仍处于实验验证阶段，还未进入到批量产业化应用阶段。
4 钒电解液
钒电解液是全钒液流电池的储能介质，电池系统的储能容量是由钒电解液的总量决定的，更确切的说是由电解液的钒浓度和体积决定的。在电池运行过程中，正负极电解液中的钒离子发生氧化还原反应使得能量得以储存和释放。钒电解液的物理化学参数直接影响电池系统的性能。钒电解液最核心的技术指标是钒离子浓度和离子导电性，此外，杂质含量、黏度等技术指标也对电池性能有一定程度的影响。
4.1 钒电解液技术指标及其特性需求分析
4.1.1 钒离子浓度
钒离子的浓度直接影响全钒液流电池的能量密度，是钒电解液的核心指标。理论上讲，在相同条件下，钒离子浓度越高，电池能量密度越高，但是钒离子浓度的提高会使钒电解液的稳定性，特别是在高温（45-60℃）下的稳定性变差，尽管研究人员做了大量的宽温域高浓度钒电解液的开发工作，钒电解液浓度提升的空间仍然有限，这也限制了全钒液流电池能量密度的进一步提升。现阶段产业化的钒电解液中钒离子浓度一般为1.6-1.7mol/L，最高仅可达2.0-2.4mol/L。
4.1.2 离子导电性
电解液中各组分在水溶液中电离出的离子参与电荷传递，因此，其离子导电性也是影响电池内阻的重要因素，电解液的离子导电性通常用离子电导率来进行衡量。提高离子电导率的一般方法是：1）提高导电离子的浓度：如提高钒离子和支持离子（如酸根离子和氢离子等）的浓度，提升参与导电的离子数量；2）提高电池运行温度：适当提升电池运行温度，有助于提高离子电离平衡常数，提高离子活度，降低电解液粘度，减少离子的传输阻力；3）选择合适的支持电解质：如选择水合离子半径较小的酸根离子，以减小离子传输阻力，或选择携带电荷量多的酸根离子以提高电荷传输效率等。当然，以上均需要在保证能电池正常运行的前提下，筛选出最优的电解液组分和电池运行条件，以提高电解液的离子导电性和电池的能量转化效率。
4.1.3 杂质含量
钒电解液中杂质会在一定程度上影响电池的性能，如部分金属离子杂质如Fe、Cr等多价元素可能会影响电池的充放电容量和效率；Pt、Rh等金属杂质可能会促进电池析氢副反应的发生；另外一些不溶性的杂质元素，会在电池运行过程中累积堵塞多孔电极或流道口，增加电池运行风险。
4.1.4 黏度
黏度会影响电解液的离子电导率。在相同环境状态下，电解液黏度越低，离子电导率越高，黏度指标可作为衡量电解液生产批次稳定性的重要指标。现阶段，钒电解液使用量最大的是硫酸体系电解液，国家已发布硫酸体系全钒液流电池用电解液行业标准GB/T 37204-2018《全钒液流电池用电解液》和NB/T 42133-2017《全钒液流电池用电解液 技术条件》，来规范硫酸体系电解液的组成成分及基本性能要求，以GB/T 37204-2018《全钒液流电池用电解液》为例，电解液主成分含量要求和杂质含量要求分别如表3和表4所示，相关技术指标测试方法可参照NB/T 42006-2013《全钒液流电池用电解液 测试方法》进行测试。
4.2 钒电解液产业现状
钒电解液是由钒的硫酸盐、支持电解质与添加剂共同组成，其中支持电解质可以是硫酸、盐酸以及硫酸和盐酸的混合酸。钒的硫酸盐提供电解液的活性物质，支持电解质和添加剂用于提高钒的硫酸盐的溶解度以及改善电解液的离子导电性、稳定性和电化学活性等性能。当前电解液研究的主要方向是提升电解液浓度以及在宽温域下运行的稳定性，进而提升电池的能量密度，拓宽全钒液流电池的应用场景。
钒电解液的上游原料主要依托于钒矿资源，全球钒资源分布相对集中，主要分布在中国、俄罗斯、南非和巴西等国家，其中，中国是全球钒资源储量最大的国家，拥有丰富的钒矿资源，主要分布在四川、湖北、陕西等省份，这些地区钒矿储量大，品位高，具有极高的开采价值。因此，我国的钒资源储量丰富，上游钒资源不会成为钒电解液的生产以及钒电池行业发展的限制因素。
如图2所示，钒电解液中钒的主要来源为钢铁企业（以钒钛磁铁矿为原料）的炼钢副产品钒渣、石煤以及其它含钒原料，由于钒电解液具有较高的纯度要求以及化合价态等方面的要求，使得钒化合物提炼提纯以及钒电解液生产的工艺具有较高的技术壁垒。国内钒电解液企业积极与钒资源企业/矿产开展合作，如大连融科与攀钢钒钛股份组建了合资公司，并成功开发出短流程电解液生产工艺（见图2），降低钒电解液生产成本。目前国内具有规模化钒电解液的生产能力的企业主要有大连博融高新材料有限公司、四川发展兴欣钒能源科技有限公司和湖南省银峰新能源有限公司等。
5 关键材料研究重点及未来产业化发展目标
近些年来，全钒液流电池技术取得了突破性的进展，关键材料性能的改进使得电池运行的平均电流密度有了大幅度提升，部分研究成果也在向产业化应用迈进。在产业化应用中，在保证全钒液流电池性能的前提下，关键材料需要重点关注成本和寿命两个指标，其中，关键材料成本是全钒液流电池系统成本的重要组成部分，寿命是全钒液流电池系统可靠运行，充分发挥自身技术优势特点的重要保证。成本和寿命两个指标共同为全钒液流电池技术能与其他类型储能技术进行市场化竞争创造了基本条件。
从成本角度出发，全钒液流电池系统中，电堆（功率单元）和电解液（容量单元）是成本的最主要组成部分（图3），其中电解液部分成本主要依赖于钒资源（主要是V2O5）的市场价格情况，是无法自主控制的，因此，电堆成本降低是全钒液流电池降低成本的最主要方向。电堆成本降低主要有两种路径：1）在电堆材料用量一定的情况下，直接降低材料单价成本；2）提高电堆关键材料的性能，改进电堆结构设计，降低电池运行过程中欧姆极化、浓差极化和电化学极化损失，开发高功率密度电堆，并减少材料用量。对于第一种路径，一方面可以通过开发符合条件的材料供应商，拓展材料供应渠道，引入市场竞争机制，降低材料的采购成本，另一方面在技术层面开发低成本材料制备工艺，降低材料本体成本。对于第二种路径，一方面可以提高现有关键材料的性能，进一步提高全钒液流电池效率，另一方面，开发新型电池材料和结构，以匹配高功率密度电堆的开发需求。
在寿命方面，全钒液流电池预期目标为日历寿命25年以上，循环寿命20000次以上。因此，在产业应用中，关键材料要在保证其基础性能的同时，要以寿命作为衡量关键材料评价的重要考察指标。寿命是全钒液流电池关键材料耐久性的直接反映，这便使关键材料具有以下几个基本要求：1）在模拟电池长时运行条件下，材料电池性能零衰减或少衰减；2）材料本身具有足够的耐久性，可抵抗强酸、强氧化以及电化学腐蚀环境，并且不会引入有害杂质；3）材料结构具有足够的稳定性，不会带来因电池反应的进行和电解液长时间冲刷摩擦而出现结构分解降解的风险。笔者认为，电池关键材料的寿命是十分重要的，但却是基础科研人员最容易忽视的指标。科研人员往往仅关注材料的基础物理性能和初始电化学指标，忽视对长循环（＞2000 循环）运行下电池材料耐久性评价，如在非氟类型离子交换膜以及杂化复合离子交换膜的开发方面，鲜有关注膜长循环运行后，自身聚合物分子结构以及膜结构变化情况；如在电极负载活化（如催化剂、炭质材料等）方面，鲜有关注所负载的材料在长时间电解液冲刷和摩擦下，是否容易从电极表面剥离脱落情况；如在双极板表面涂层/覆层方面，鲜有关注双极板在长循环运行后，表面涂层/覆层是否容易出现分层或脱落情况；如钒电解液在长时间运行过程中组分成分是否会保持稳定，是否会由于自身组分成分变化导致析氢等副反应加剧，造成容量衰减或其他有害现象发生等等。因此，关键材料的长循环寿命指标应该被纳入重点考察对象。
在此值得补充说明的是，前述电堆及关键材料成本都属于液流电池系统的初始投资成本，衡量储能系统成本的另一个重要指标是全生命周期度电成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE），其计算方法如图4所示。由此可以推算出，在电池正常运营和维护以及各种成本固定的情况下，储能系统寿命越长，充放电电量越多，各种成本分摊到单位电能上的成本就越低，全生命周期度电成本也就越低。换句话说，保持和延长系统寿命是保证全钒液流电池全生命周期度电成本进一步降低的重要途径，是全钒液流电池提高储能市场竞争力的重要保证，而关键材料耐久性是全钒液流电池储能系统寿命的重要一环，因此，长寿命电池关键材料的开发也是降低全钒液流电池储能系统全生命周期度电成本的重要途径。
综上所述，从关键材料角度出发，降低全钒液流电池材料成本，提升全钒液流电池循环寿命，延长全钒液流电池服役年限，有助于发挥全钒液流电池自身特点，提高市场竞争力。
6 总 结
本文从产业应用角度出发，详细介绍全钒液流电池关键材料技术指标及其特性需求分析和产业发展现状，并且讨论了关键材料研究重点及未来产业化发展方向。关键材料技术指标的梳理有助于增强全钒液流电池上游供应商对关键材料技术指标的理解，指导关键材料技术指标优化方向；关键材料产业发展现状的介绍有助于增强全钒液流电池行业从业人员对上游供应链情况的了解和把控；关键材料研究重点及未来产业化发展方向的介绍，旨在从产业化关注的角度出发，在全钒液流电池现有研究工作的基础上，指导未来关键材料的研究开发方向，促进基础科研工作成果能够真正向产业化应用转化。
会议背景
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随着储能需求的高速增长，全球全钒液流电池产业得到了快速发展。在中国，2024年，全钒液流电池产业规模不断扩大，已交付及在建钒电池项目装机规模达1538MW/6559MWh；2025年上半年，钒电池储能项目采招落地规模超1.13GW/4.73GWh，预计2025年钒电池新增规模将达到2.3GW，2030年新增量将达到4.5GW，届时钒电池储能项目累计装机量将达到24GW。2025年8月，作为中国最大的全钒液流储能项目，三峡能源在新疆吉木萨尔投资38亿元的“光储一体化”示范工程，包含1GW光伏发电和200MW/1000MWh全钒液流储能系统，首次开展充电实验。
在海外，2025年2月，住友电工宣布成功将全钒液流电池的使用寿命从20年延长至30年，功率提高30%；2025年4月，Invinity宣布将在英格兰部署英国迄今为止规模最大的钒液流电池系统，总储能容量达20.7MWh；2025年2月，Largo与Stryten Energy成立合资企业Storion Energy，计划通过创新租赁模式，以有竞争力的价格提供本土生产的高品质钒电解液，加速钒液流电池的商业化推广与应用；2025年2月，西澳大利亚州政府计划投入1.5亿澳元，在卡尔古利（Kalgoorlie）建设一座容量规模为500MWh、可持续稳定放电10小时的钒电池储能系统，该项目将成为澳洲最大的钒电池储能系统之一，使用本地钒资源，预计将于2029年投入运营。
未来，全球储能产业政策会有何新变化？钒液流储能项目投资有何新机遇？如何通过电堆、电解液和材料技术提升钒液流电池的成本竞争力？产业链企业如何深化合作以实现共生发展？液流电池行业成长为资本市场带来哪些机会？
由亚化咨询与上海电气储能科技联合主办的中国国际钒液流电池论坛2025将于2025年12月11-12日在合肥召开，将探讨国内外储能行业政策与市场，钒液流储能项目投资，电堆技术、钒电解液与关键材料最新进展，以及投融资与产业可持续发展等议题。会议将组织参观上海电气储能生产基地（安徽巢湖）。
会议主题
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国际钒液流电池产业政策与市场展望
全球全钒液流电池技术及应用
国内外重大储能安全事故案例分析
全钒液流电池的产业链发展
全钒液流电池技术发展与成本控制
钒资源、供需与价格趋势
钒原料与电解液的清洁、低成本工艺
短流程制备钒电解液最新进展
全钒液流电池电堆技术与储能系统优化
电堆技术进展与降本趋势
液流电池用质子膜产业化最新进展
电极、双极板材料技术进展与前景
液流电池生产设备与工艺
产业投资基金助力液流电池产业发展
工业参观-上海电气储能生产基地
简要日程
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会议名称：中国国际钒液流电池论坛2025
主办单位：亚化咨询、上海电气储能
会议地点：安徽·合肥
会议规模：200+
会议签到：12月10日下午
会议报告：12月11日全天
工业参观：12月12日-上海电气储能生产基地（安徽巢湖）
为充实论坛内容、赋能产业发展、打造高影响力行业交流盛会，现面向全钒液流电池产业领域专家学者、资深企业家，公开征集演讲议题，共绘产业美好蓝图。
赞助方案
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项目 |
项目内容 |
主题演讲 |
25分钟主题演讲 |
参会名额 |
|
微信推送 |
微信公众号， 企业介绍以及相关软文 |
会刊广告 |
研讨会会刊， 彩色全页广告（尺寸A4） |
资料入袋赞助 |
企业的宣传册放入会议包袋 |
现场展台 |
现场展示台，展示样品、资料， 含两个参会名额 |
现场易拉宝 |
现场1个易拉宝展示 |
礼品赞助 |
印有赞助商logo的礼品赠送参会听众 |
茶歇赞助 |
冠名和赞助会议期间的茶歇 |
晚宴赞助 |
冠名和赞助会议的招待晚宴 |
Logo展示 |
背景墙 logo，会刊封面logo |
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