随着全球气候变暖和矿物燃料不断枯竭，人类亟需寻求洁净、可再生的新型能源来解决当前的能源危机。由于可再生能源具有较强的间歇性，光伏、风电等新能源具有不稳定、不连续和不可控的非稳态特征，严重威胁着电力系统可持续性及安全性。通过新能源发电技术与高效的大规模储能技术相融合，如何实现可持续能源供给及生态环境保护成为当前研究的热点。

目前，按照能量储存方式划分，可将能量储存分为机械、电磁及化学能量储存，其中机械储能主要包括压缩空气储能、抽水蓄能等。由于机械储能需要独特的地理环境，使得水力储能和压缩空气储能技术的发展受到了一定的限制；电磁能量储存主要包括超导及超级电容器能量储存，电磁储能存在能量密度低及成本高的缺点；化学能量储存主要包括锂离子电池、铅酸电池、全钒液流电池、钠硫电池等。当前，钠硫和锂离子电池存在安全隐患问题，亟需寻找一种新型的替代储能电池。

全钒液流电池因其易于实现规模化、无污染和高安全性等优点，成为当前大规模储能领域的研究热点和发展方向。

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全钒液流电池结构及工作原理

全钒氧化还原液流电池（VRB，Vanadium Redox Battery）是一种利用电解液中不同价态的钒离子在电极表面发生的氧化还原反应，来储存和释放电能的一种电化学装置。VRB主要由电池板框、电极、质子交换膜、双极板、电解液和集流体等部件构成，其结构如图1所示。VRB的正、负极活性物质是固溶于硫酸中的钒离子。在工作过程中，利用一台循环蠕动泵把电解液注入蓄电池，在充电和放电的过程中，电解质始终是流动的。

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全钒液流电池的优缺点

VRB在许多方面都比其他规模储能技术有更好的优势，其特征表现为：

VRB在电解液中充放电、不存在相态变化、不会出现断电及短路等问题；VRB的输出功率不依赖于其额定容量，其输出功率与电池堆的尺寸和数量有关，而额定容量取决于钒电解液的浓度和容积，所以二者均可以按照特定的需求进行灵活设计，并且可以较为容易的获得百万瓦特量级的规模；

由于VRB的正、负极活性材料均为钒组分，所以能够避免正、负极电解液的交叉污染，并且电解质溶液能够很容易地进行氧化还原反应且被重复使用，因此拥有较长的循环寿命（＞10000次）；

VRB在放电时无记忆效应，可以进行深度放电，即使100%放电也不会损坏电池；

由于VRB中的电解液为液态，其浓差极化较小，并且它的电极具有较高的反应性和较小低的活化极化，因此它的负载容量较大；

所用的部件原料廉价、容易获得，降低了系统的制造及维护成本。

目前，VRB面临的主要问题为：

①受限于电解质，其比容量较低，体积较大；

②电池在运转过程中，电解质是需要泵体加压促进其不断流动，导致其在压强较大时密封性差，在酸、碱及氧化剂等介质中易刻蚀，缩短了电池的使用寿命；

③在使用过程中，在某一特定的温度下，五价钒会在电解液中沉淀，从而阻塞流道，影响VRB的正常运转；

④二价钒的含量过少，对电解液的稳定性有较大的影响；

⑤初期投资费用过高，尤其是质子交换薄膜。

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全钒液流电池关键材料

目前，VRB已经完成由实验室阶段向工业化实际应用的转变，其工程化技术得到了快速发展，在世界范围内已经建立了多个不同功率等级的全钒液流电池储能示范系统，但是由于前期投资费用高昂，其关键核心材料还欠缺系统性和深入的研究，导致VRB能量密度偏低、容量快速下降及成本较高等问题难以解决，已成为制约该项技术规模化、产业化和实际应用的瓶颈。

3.1电解液

电解液作为VRB的能量存储介质，在电池的充放电过程中起着关键作用，其稳定性对VRB性能和循环寿命有很大的影响。为提高VRB性能，需要对电解液进行改进以提高其溶解度及稳定性。电解质是由具有不同价态的活性物质（钒离子）和支撑电解质（如硫酸、盐酸、甲基磺酸及上述混合物）构成的。

该电解质能够提供适宜的离子浓度，从而使电池能够稳定运行。支撑电解液的选择主要依据电化学反应动力学、电解液在电极-电解液中的溶解性以及活性电解液中的交叉污染情况。对普通的支撑电解质硫酸来说，它提供了1个质子，可以根据酸碱度改变电池的电势。

在VFB中，V(Ⅱ)/V（Ⅲ）氧化还原电对用作负极电解液，V（Ⅳ）/V（Ⅴ）氧化还原电对用作正极电解液。由于采用了2种可溶性电对，电极表面不会发生固相反应，也不会发生相应的形貌变化。以同一种元素的4个价态为活性离子对，有效解决了长期使用过程中活性物质的交叉污染问题。

当前，人们正在对VRB中的电解液展开研究，重点在于对它的生产工艺进行优化，如加入多种助剂和稳定剂，以获得稳定性高、浓度高、温度适应范围广及价格低廉的钒电解液。目前，关于VRB正极电解液组分的相关研究发现，室温下适合VRB正极电解质含量约为1.5～2.0mol/L的V₄+和3mol/L的H₂SO₄。然而，随着钒离子浓度的不断升高，正极电解液中将出现V₂O₅沉淀物，造成管道堵塞，严重时会导致电池失效。

3.2电极

VRB在电极表面进行电化学反应，对整个电池的能量效率和循环稳定性有很大的影响。当前，对电极进行改性的方法主要包括：氧化处理、氮化处理、酸处理、热活化、电化学氧化、无机材料涂层及金属沉积改性等。其中，高温激活与电化学氧化法是一种廉价、简单、温和、可控、环境友好的电极改性方式。

由于电解质中存在很强VO₂+和硫酸，因此，对VRB的电极材料提出了更高的活性、导电性和稳定性要求，同时还要求具备优良的机械特性和廉价等优点。

当前，采用的是以金属、碳及石墨为基础的3种新型VRB电极。金属电极（如铅、钛铂、金等）具有优异的力学性能和导电性，但其电化学可逆性能极差，成本较高，限制了规模化应用。将聚乙烯、聚丙烯等高分子基团与导电性炭材料复合而成的复合电极，由于其价格低廉，质量轻，加工方便，所以被认为是一种比较理想的VRB电极材料。

另一方面，碳基材料具有良好的电导率、抗腐蚀性和电化学稳定性，在VRB中得到广泛使用。在对碳基电化学材料的长期探索中，通过对碳基材料的深入分析，学者揭示了碳基电化学材料具有良好的导电性、耐腐蚀和耐高温等特性，并具有较大的比表面积，已成为最理想的VRB电极材料之一。

3.3双极板

双极板是VRB中的重要部件，尤其是大容量、高功率型液流电池系统。碳复合材料双极板是指将某些高分子材料与一定数量的碳结合在一起而形成的复合双极板，因其加工简单、成本低廉等优势，被认为是一种极具应用前景的VRB用集流体。

另外，由于碳质双极板的电导率较金属或石墨质双极板低，所以在充放电次数较少的情况下，由于电流密度不大，双极板中的碳不会被完全消耗，而是会在两极板之间留下一些空隙，而这些空隙会导致电流通过时产生大量的热，从而进一步使双极板的电阻变大。因此，制备具有高电导率和良好耐腐蚀性能的双极板成为VRB用集流体研究重要方向。

3.4质子交换膜

质子交换膜（PEM）作为VRB的核心部件，既可隔离电解液，又可以传输质子，保障电池完成充放电循环过程。因此，PEM对提高VRB的可靠性及性能具有重要意义。

因其化学稳定性好、质子传输性强等优势，全氟磺酸树脂（PFSA）构成的全氟磺酸膜被广泛应用于VRB系统。目前，关于VRB用隔膜的研究主要集中在提高膜的离子选择透过性和提高膜的稳定性。

在VRB中，常用的质子交换膜内部通常有亲水、疏水区域。这2种区域的分布对膜的离子选择、离子传导、力学、化学稳定性等性能有重要影响。

目前，国内外学者正积极探讨、优化这2种区域的分布，进而制备出高稳定性、高选择性的质子交换膜材料。

3.4.1质子交换膜研究进展

根据材料不同，市售的PEM大致包括4类：全氟磺酸型PEM、部分含氟型PEM、非氟型PEM及非树脂型PEM等。到目前为止，全氟磺酸类PEM在市场上得到了广泛的应用，其中最著名的就是美国杜邦公司在20世纪70年代开发出来的Nafion膜，因为这种薄膜的主链是碳氟化合物，因此具有较好的化学和热稳定性。

另一方面，加上侧链-SO₃H连接到碳氟主链上，由于F原子极强的电负性，-SO₃H附近的电子云密度大大降低，H+更容易从-SO₃H上解离，所以，全氟磺酸型PEM具有较好的质子导电性。Nafion膜的结构如图2所示，-SO₃H以共价键连接到碳氟骨架上，在水溶液中，-SO₃H可以被电离成固定的-SO₃-和自由H+。而且，-SO₃H还能将水分子聚集在一起，形成一片微区，当微区内的水分足够多时，这些微区之间便会相互连接，形成一条长距离的质子传输通道。

除了美国杜邦公司生产的Nafion系列PEM外，其他国家研制的类似产品包括XUS-B204、Flemion膜等。尽管Nafion膜具有许多优点，但是存在着严重妨碍其进一步商业应用的缺点：Nafion膜的合成过程比较复杂，合成难度较大，成本较高，市场价格昂贵。

3.4.2质子交换膜研究方向

PEM决定着VRB的效率、输出功率、寿命和应用性能等。因此，对于VRB，研发一种具备卓越综合性能的PEM成为了迫切需求。在当前情况下，质子交换膜需从以下7个方面展开研究：

（1）提高PEM质子电导率，减小膜物理电阻，提高电池效率。

（2）提高PEM电子绝缘性，从而有效隔离正负电极，提高电池的效率。

（3）提高PEM阻隔性能，一方面减少自放电，降低能量损耗；另一方面可以提高电池的安全性。

（4）PEM具备较好的保水能力，在吸水后仍然能够维持所需尺寸的稳定性。因为水分子可以加速质子传输，而高度稳定的尺寸则需要膜的溶胀率低，以确保在PEM干湿状态之间无过度膨胀或收缩，避免裂纹和微孔的形成。

（5）提高热及化学稳定性，强化电池的抗氧化性和耐酸碱性，保持质子交换膜在复杂工况下性能稳定，以保证电池的使用寿命。

（6）提高机械性能，良好的力学性能是质子交换膜组装成电池的重要条件。

（7）降低PEM的材料和制造成本，促进PEM的更广泛应用。

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结论与展望

太阳能、风能、波浪能等可再生能源较强的间歇性特征限制了光伏和风能工业化大规模应用。VRB因其固有的优势及宽泛的应用领域，非常适合大规模储能，可以实现电网削峰填谷、电力系统节能降耗。

目前，亟需在VRB中的关键材料方面开展基础理论研究，通过提高电解液、电极、双极板及质子交换膜等关键材料的性能获得专门针对VRB的专属材料，为VRB实现大规模商业化推广奠定基础。

（1）钒电解液通过提高钒离子浓度来提高VRB的比能量，但较高的钒电解液浓度势必会造成电解液粘度增大，传质过程受到抑制及电导率降低；较高浓度的在重放电过程中容易析出沉淀物，造成电极表面堵塞出现浓差极化现象；因此，钒电解液的可以围绕着增强电化学活性及性能稳定性方面开展深入研究。

（2）金属类的电极价格昂贵，耐腐蚀性能较差，可选择的种类较少，现在较为广泛应有的是石墨毡多孔电极，其成本较低、性能优异、耐腐蚀性能优，满足VRB的实际应用要求。石墨毡多孔电极在VRB中长期被压缩状态下充放电，容易产生局部的浓差极化造成烧毡现象，出现电极碳纤维丝断裂、表面材料剥落、堵塞电池板框内部流道等现象，需要在石墨毡多孔电极机械性能、抗腐蚀性能、电极改性等方面开展深入研究。

（3）纯石墨双极板制造成本较高、制备工艺复杂且易损毁，仅在实验室做研究使用；碳塑双极板材料便宜、制备工艺简单、韧性和强度较好在VRB中应用广泛；一体化双极板可以降低与电极间的接触电阻，易于大规模生产，已经成为研究热点。目前，研究双极板的主流方向是如何增强其强度和韧性的同时降低双极板的电阻率。

（4）Nafion系列膜钒离子渗透率及高昂的价格限制了其大范围推广应用，研究热点聚焦在非氟类质子交换膜的改性上，制备出阴离子膜、阳离子膜及非离子多孔隔膜等质子交换膜，但是，这类膜在化学稳定性上还存在缺陷，距离商业化依然有一定的距离。因此，性能优异、价格低廉、制备工艺简单的非氟高分子基离子交换膜和改性的多孔纳滤和超滤膜将会是未来钒电池隔膜的发展趋势。

一、可控换相直流换流装备

　　原创性提出了可控换相换流阀（CLCC）概念与拓扑，通过引入全控器件实现晶闸管阀可控关断和主动换相，从根本上解决了多馈入直流系统换相失败问题，可大幅提升常规直流输电系统交流故障期间的功率支撑能力。成果于2023年6月在上海±500千伏南桥换流站改造工程中示范应用，为我国华东、华南等地区受端电网安全稳定水平和外受电接纳能力提升提供了新的技术方案。完成单位： 国家能源高压直流输电技术与装备研发（实验）中心

　　二、支撑大规模新能源送出的高压大容量柔性直流输电系统

　　攻克了大规模新能源经柔性直流输电系统送出的系统成套设计与稳定并网技术，研制了全球首套±800千伏/5千安柔直换流阀、电压等级最高的适海性直流耗能装置等成套技术装备，建立了超大规模“新能源-柔直-大电网”硬件在环实时仿真平台和海上风电柔性直流输电工程现场调试技术体系。成果为推动我国大规模新能源开发与高效送出提供了重要技术支撑。完成单位： 国家能源特高压直流输电工程成套设计研发（实验）中心

　　三、高压电力装备多物理场计算专用软件TRSim

　　形成首款几何建模、网格剖分、计算求解、后处理全流程全自主内核的国产电力装备多物理场计算专用软件，解决了使用通用商业软件数据传递失真和计算效率低等问题。成果在昆柳龙特高压多端混合直流输电工程开展了应用验证，为工程设备设计运行、运维分析等提供技术支撑，对推动国产电力装备专用软件产品生态发展具有重大意义。完成单位： 国家能源大电网技术研发（实验）中心

　　四、辐照后燃料组件池边检查系统

　　突破了燃料组件外形尺寸动态测量、水下高精度氧化膜稳定测量、燃料棒直径高精度测量等关键技术，填补了我国大型先进压水堆核电站辐照后燃料组件池边检查技术装备空白。成果于2023年5月应用于江苏田湾核电机组燃料组件氧化膜和组件外观的检查，标志着我国具备了核电机组辐照后燃料组件池边检查能力，为我国核电安全运行和自主化燃料组件验证提供了重要保障。完成单位： 国家能源先进核燃料元件研发（实验）中心

　　五、核电厂发电机不抽转子检修智能机器人

　　攻克了狭小空间机器人缺陷处理、转子通风孔机器人精确对焦检查、机器人异物视频识别等关键技术，可沿核电厂发电机定转子环形气隙进入发电机内部，完成以往需要抽转子才能完成的检查、试验及维修操作，减少检修人员投入和作业风险，提高检修效率。成果于2023年应用于福建宁德核电和辽宁红沿河核电大修，完成了发电机在不抽转子状态下全部检修内容，有效提升了我国核电机组发电机智能化检修水平。完成单位： 国家能源核电运营和寿命管理技术研发中心

　　六、基于构网型技术的纯新能源电网一体化控制系统

　　攻克了基于工作点同步反馈的大容量储能系统黑启动控制、多类型资源优先级动态调整的频率电压快速控制等关键技术，建立了多时间尺度一体化协调控制架构。成果于2023年9月在内蒙古额济纳“源网荷储”项目上应用，顺利通过广域大网架纯新能源黑启动、全域离网长周期运行和人工短路故障穿越考验，为广域离网纯新能源电力系统可靠性提升提供了新的技术方案。完成单位： 国家能源电力控制保护技术研发（实验）中心

　　七、全国新能源集中预测成套专用软件

　　建立了新能源功率预测“云-端”协同运行机制，以全国新能源功率集中预测平台为“云”、以调控中心的预测系统为“端”，通过“云”与“端”数据双向交互，实现了新能源功率预测模型的集中自动建模及在线更新部署，单场站预测模型更新频次由30天提高至7天以内。成果于2023年2月实现了“云-端”协同运行，应用该成果的省级电网新能源日前功率预测准确率平均提升了2个百分点以上，有力支撑了新能源消纳和电网安全稳定运行。完成单位： 国家能源大型风电并网系统研发（实验）中心

　　八、抗台风圆筒型FPSO深海浮式生产装置

　　研发了10万吨级抗台风圆筒型FPSO船型，创新提出了南海极端高波陡下的运动响应机理，系统建立了10万吨级圆筒型FPSO总体设计方法和中深水带浮筒高载荷系泊系统设计方法，有效降低油田开发与运营成本，较同等功能船型FPSO预计可节省上亿元投资。基于该项成果的南海流花11-1/4-1油田二次开发项目建设顺利推进，提升了我国深水超大型海洋油气装备研发制造技术能力。完成单位： 国家能源深水油气工程技术研发中心

　　九、超深层温度-应力-流体耦合作用高温高压溶蚀模拟装置

　　突破了超高温高压溶蚀模拟装置技术卡点，实现了多阶段连续流模拟、溶蚀过程原位可视化、渗透率在线检测等关键功能，建成了国际首套满足超深层强改造的碳酸盐岩溶蚀模拟装置。应用该项成果的我国首口万米科学探索井─深地塔科1井于2023年5月在塔里木油田开钻，标志着我国系统性掌握了超高温高压岩石溶蚀模拟装置设计、制造和运行技术，有力支撑了我国超深层油气勘探技术水平提升。完成单位： 国家能源碳酸盐岩油气重点实验室

　　十、新一代铁基费托合成催化剂

　　开发了新一代高活性、低二氧化碳选择性费托铁基催化剂。成果于2023年5月在国家能源集团宁夏煤业400万吨/年煤间接液化示范项目上应用，经现场考核标定，产油率、二氧化碳排放等指标性能显著提升，并保持原催化剂抗磨性强等技术优势，实现了煤间接液化催化剂技术在现有国际领先水平基础上进一步升级迭代，助力油气保障能力提升和煤化工产业高端化、多元化、低碳化发展。完成单位： 国家能源煤炭清洁转换利用技术研发（实验）中心

近日，山东省能源局公布了《山东省能源领域新技术、新产品和新设备目录（2023年度）》名单，新能源、传统能源、新型电力系统、新型储能系统等6个领域82个项目入选。集团公司旗下液流储能科技有限公司，凭借自主研发的125kW/500kWh盐酸基全钒液流电池储能系统成功入选，是唯一一家入选的液流储能公司。

据悉，山东省能源领域新技术、新产品和新设备目录由省能源局征集，经由专家评审认定，主要面向在鲁的企事业单位所取得的技术先进、产权明晰、质量可靠、市场前景广阔的能源领域新技术、新产品及新设备。

此次奖项的获得，充分展现了液流储能的自主研发和创新能力。下一步，公司将持续发挥示范引领效应，推动新能源技术创新，加快成果转化进程，提升智能化发展水平和装备制造能力，用绿色科技创新和实践，赋能能源行业绿色低碳高质量发展。

9月6日，由国家能源局、江苏省人民政府和国际可再生能源署共同主办的2023年国际能源变革论坛在江苏省苏州市开幕。论坛以“合作共谋能源变革 共建共享绿色未来”为主题。中国国家能源局局长章建华、江苏省人民政府省长许昆林、国际可再生能源署总干事拉·卡梅拉和联合国副秘书长阿里沙赫巴纳等线上或线下出席开幕式并致辞。

　　章建华介绍了新时代10年来中国能源革命取得的成绩和下一步中国推动能源绿色低碳转型的重要举措，并对进一步推动全球能源转型合作提出了重要倡议。他表示，2014年，习近平总书记提出“四个革命，一个合作”能源安全新战略以来，中国坚定不移推进能源革命，清洁能源实现跨越式发展，能源清洁高效利用加快推进，能源改革创新深入实施，对全球能源转型的贡献日益突出。他强调，应对气候变化、能源危机等挑战，需要全球进一步凝聚共识，加强能源领域清洁高效利用合作，加强清洁低碳能源发展合作，加强能源科技创新合作，加强全球能源治理和全球能源安全合作，共同推动实现联合国2030年可持续发展议程。

　　来自20个国家和地区的政要、能源部长、驻华大使和高级官员，9个能源国际组织负责人和高级别代表，中外能源企业、研究机构、行业协会的负责人和高级别代表2000余人，围绕推动构建全球清洁能源合作伙伴关系、能源变革合作途径、清洁能源新技术新模式新政策、能源安全目标下的全球能源绿色转型等议题进行深入交流，进一步凝聚绿色转型发展共识，助推全球能源转型和可持续发展。

　　2014年，习近平总书记创造性地提出了“四个革命，一个合作”能源安全新战略。2022年6月，习近平总书记主持召开全球发展高层对话会，提出推动建立全球清洁能源合作伙伴关系。2023年国际能源变革论坛旨在全面落实习近平总书记关于能源革命的重要指示批示精神。论坛期间，举办了“中国能源革命十周年”主题展览，发起成立国际能源变革联盟，发布了“能源革命，中国在行动”主题视频、《全球清洁能源合作伙伴关系倡议》、《能源变革指数蓝皮书》报告等系列成果，为推动全球清洁能源务实合作奠定了坚实基础。

　　国家能源局有关司和派出机构负责人，江苏省、苏州市有关负责人参加会议。

各市发展改革委（能源局），各有关单位、企业：

为拓宽配建储能盈利渠道，鼓励其积极参与电力市场，更好地发挥电力系统调节作用，根据《关于进一步推动新型储能参与电力市场和调度运用的通知》（发改办运行〔2022〕475号）和《关于促进我省新型储能示范项目健康发展的若干措施》（鲁发改能源〔2022〕749号）精神，将开展新型储能配建转独立试点工作，有关事项通知如下：

一、试点条件

（一）技术条件。对同一安装地点功率不低于3万千瓦的配建储能，按照自愿原则，改造后接入电压等级为110kV及以上，具备独立计量、控制等技术条件，达到相关标准规范和电力市场运营机构等有关方面的要求，并接入调度自动化系统可被电网监控和调度的，可转为独立储能。

（二）安全方案。项目应具有较为完善的安全方案，符合相关安全规范要求，须按接入电压等级选择对应资质的设计、施工、监理、调试等单位。严格消防风险管控，配套CO、VOC或H2等复合型气体检测报警系统，具备完善的消防预警和防止复燃措施。特色应用亮点突出的，优先转为独立储能。

（三）其他要求。按照《国家发展改革委 国家能源局关于推进电力源网荷储一体化和多能互补发展的指导意见》（发改能源规〔2021〕280号）有关要求，涉及风光水火储多能互补一体化项目的储能，原则上暂不转为独立储能。其他技术要求详见附件1。

二、申报程序

（一）项目初审。对于自愿转为独立储能的，由项目法人单位向市级能源主管部门以呈报方式提出申请，并附配建转独立申请报告和支撑材料（详见附件2、附件3），市级能源主管部门严格按照国家、行业和地方有关要求和标准进行初审，将合格项目的初审意见及申报材料（一式7份、含电子版）报送省能源局。

（二）专家评审。省能源局联合有关部门（单位）对项目进行初评，符合条件的，省能源局将会同有关部门（单位）组织专家或委托第三方对申报项目进行正式评审，评审合格的，省能源局对呈报进行复函同意开展项目前期工作，国网山东省电力公司依据省能源局复函开展接入系统评审和批复工作。

三、建设验收

（一）跟踪评估。市级能源主管部门加强项目建设进度日常调度，按月向省能源局报送项目进展情况。遇到重大事项，应及时报告。自省能源局复函之日起，半年内未形成实物工作量的项目，或一年及以上未建成的项目，取消转独立资格，三年内不得再次提出申请。

（二）建成验收。按期建成的项目，由市级能源主管部门提出申请，省能源局将对照项目配建转独立申报材料，会同电网调度机构对申报项目进行验收，验收通过后，电网企业营销部门、电力交易机构方可履行下一步程序。

                                                                                                               山东省发展和改革委员会

                                                                                                            国家能源局山东监管办公室

                                                                                                                               山东省能源局

                                                                                                                       2023年8月23日