一、铁铬液流电池基础介绍
液流电池：是一种正、负极活性物质均为液体的电化学电池。由点堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成，是电池里面一个新兴领域的竞争者。液流电池和通常以固体作电极的普通蓄电池不同，液流电池的活性物质以液体形态储存在两个分离的储液罐中，由泵驱动电解质溶液在独立存在的电池堆中反应，电池堆与储液罐分离，在常温常压运行。
铁铬液流电池：现在比较受关注的液流电池可分为四大类。第一，全钒液流电池，是目前技术最成熟、产业化最充分的液流电池技术，当前限制其发展的最重要因素是钒价格剧烈变化导致的电解液成本过高问题。第二，新兴的铁铬液流电池，也叫铁铬氧化还原液流电池，目前技术也较为成熟，且相较于全矾液流电池成本更为低廉。第三，铅酸液流电池。铅酸液流电池初期的设计成本比较低，但是循环次数比较低，后期维护成本较高。第四，锂离子液流电池。从电流密度和能量循环的使用效率对比，未来大中型的储能或将集中在全钒和铁铬，对小型和短期的储能会集中在锂电池和钠电池的使用。
二、铁铬液流电池原理
铁-铬液流电池储能单元的电解质溶液为盐酸盐的水溶液。铁铬氧化还原液流电池放电时Cl-将移向负极，负极发生电极反应为：Cr2+=Cr3++e-，逆反应和充电时的阴极反应相同。充电时，在阳极极上离子失去电子发生氧化反应，即Ce2+得电子生成Fe3+，电极反应为：Fe2+-e-═Fe3+，逆反应和放电时正极上的反应相同。
三、铁铬液流电池运用
铁铬液流电池因为电解质溶液为水系溶液，所以密度及体积重量不适合用于电动车。主要用于光伏储能领域，广泛应用在发电侧、电网侧和用户侧，从提供短时间的调频、提高电能质量到长时间的削峰填谷、缓解输电线路阻塞，能够提供能量的时空转移，是解决大规模新能源发电并网所带来的问题和提升电网对其接纳能力的重要措施。
根据测算，每投运 1GW、储能时长 6 小时的铁-铬液流电池储能系统，年可增加优质风电和光伏发电上网电量 1980GWh，直接减少碳排放量约 196 万吨，减少粉尘排放约 54 万吨，相当于替代标准燃煤约 75 万吨。按照新能源配储能政策要求，每新建 1GW 储能系统可以支持 5GW 新能源新建并网，按照年利用小时数 1500 小时计算，间接减少二氧化碳排放量 748 万吨，减少粉尘排放 204 万吨，节约标煤 286 万吨。
四、铁铬液流电池发展历史
20世纪70年代，美国国家航空航天局（NASA）首先研制出了1 kW的铁-铬液流电池储能系统。但由于石油危机的减缓等原因，该公司没有选择将这一技术进行商业应用的发展。
20世纪80年代，日本新能源产业技术开发机构（NEDO）在与NASA的研发合同下，推出了10 kW和60 kW的铁-铬液流电池系统。铁-铬液流电池储能系统的技术基础已经形成。
20世纪90年代，中科院大连化学物理研究所推出过270 W的小型铁-铬液流电池电堆。但是由于铁-铬液流电池技术中关键问题阴极析氢与电解液互混未得到解决，研究一度止步。
2014年，美国EnerVault公司继承了NASA的技术体系，进行了规模放大，建成了全球第一座250 kW/1000 kW·h铁-铬液流电池储能电站。
2011年，国内再次重启了对铬-铁液流电池储能技术的研发，研制出以2x30 kW电池堆为核心的储能系统。
2020年底，国家电投成功试制“容和一号”大容量电池堆，并在河北张家口战石沟250kW/1.5MWh示范项目上成功应用。成熟度已与其他主流电化学电池储能技术相当，开启了该技术商业应用的新征程。
2022年1月，“容和一号”铁-铬液流电池堆量产线投产，每条产线每年可生产 5000 台 30kW“容和一号”电池堆，标志着量化供货的最后堵点已彻底打通。
目前，国家电投集团科学技术研究院有限公司采用的铁-铬液流电池技术采用混合的铁、铬离子溶液，已经成功解决了电解液互混问题；通过催化剂解决了阴极析氢问题；并且在储能系统中设计安装了再平衡系统，有效解决了电解液的衰减问题，极大地提高了铁-铬液流电池的使用寿命，进一步提升了铁-铬液流电池技术水平。
位于张家口的全球最大规模250KW储能示范项目
位于张家口的全球最大规模250KW储能示范项目内景
五、铁铬液流电池优势
（1）循环次数多，寿命长。铁-铬液流电池的循环寿命最低可达到10000次，与全钒液流电池持平，寿命远远高于钠硫电池、锂离子电池和铅酸电池。
（2）无爆炸可能，安全性高。铁-铬液流电池的电解质溶液采用水性溶液，没有爆炸风险。且电解质溶液储存在两个分离的储液罐中，电池堆与储液罐分离，在常温常压下运行，安全性高。
（3）电解质溶液毒性和腐蚀性相对较低，稳定性好。铁-铬液流电池的电解质溶液是含铁盐和铬盐的稀盐酸溶液，毒性和腐蚀性相对较低。
（4）环境适应性强，运行温度范围广。相比其他液流电池，铁-铬液流电池的运行温度更加宽，电解质溶液可在-20～70 ℃全范围启动。
（5）储罐设计，无自放电。电能储存在电解质溶液内，而电解质溶液存储在储罐里，因此不存在自放电现象，尤其适用于做备用电源等。
（6）定制化设计，易于扩容。铁-铬液流电池的额定功率和额定容量是独立的，功率大小取决于电池堆，容量大小取决于电解质溶液，可以根据用户需求进行功率和容量的量身定制。在对功率要求不变的情况下，只需要增加电解质溶液即可扩容，十分简便。
（7）模块化设计，系统稳定性与可靠性高。铁-铬液流电池系统采用模块化设计，以250 kW一个模块为例，一个模块是由8个电池堆放置在一个标准集装箱内，因此电池堆之间一致性好，系统控制简单，性能稳定可靠。
（8）废旧电池易于处理，电解质溶液可循环利用。铁-铬液流电池的结构材料、离子交换膜和电极材料分别是金属、塑料（或树脂）和碳材料，容易进行环保处理，电解质溶液理论上是可以永久循环利用的。
（9）资源丰富，成本低廉。电解质溶液原材料料铁、铬资源丰富且相对其他液流电池成本低，不会出现短期内资源制约发展的情况，因而是可持续发展的储能技术。
六、铁铬液流电池核心金属介绍
铬产业链：铬铁矿按工业用途划分为冶金级、化工级、耐火级和铸石级，其中冶金级铬铁矿全球产量占比超过95%。因耐磨、耐高温、耐腐蚀及其亲铁性的性质，冶金级铬铁矿被冶炼成铬铁合金被添加到不锈钢、特钢等钢材中。不锈钢是目前铬元素最大的消费下游，因含有镍铬而具有不锈、耐蚀性主要特性。铬铁按不同含碳量分为高碳铬铁（含碳为4~8%）、中碳铬铁（含碳为0.5~4%）、低碳铬铁（含碳0.15~0.50%）、微碳铬铁（含碳为0.06%）、超微碳铬铁（含碳小于0.03%）。中、低、微碳铬铁由高碳铬铁添加硅石冶炼成，因其含碳量少也被用广泛于加工特殊钢材。另外化工级铬矿还可以加工成氧化铬绿、三氧化铬、红矾钠等铬盐，用于颜料、涂料、陶瓷、饲料、电镀、合金、皮革等众多行业等。铬铁电解法和铬盐碳还原法可提纯至金属铬。随铁铬液流电池的商业化，未来电池领域或将成为新的消费增长点。
资源分布：全球铬铁矿资源丰富，主要分布在南非、津巴布韦、哈萨克斯坦、土耳其等国家。其中南非资源量最大，约占世界资源总量的一半，是全球最大的铬资源出口国。津巴布韦虽铬矿储量丰富，但开发程度较低，于2021年宣布禁矿。哈萨克斯坦铬矿多用于本国生产，出口量较低。中国铬资源稀少，查明资源量仅1000多万吨，主要分布在西藏、新疆、青海等西部地区。另外阿尔巴尼亚、阿曼、巴基斯坦等国家也有少量铬矿资源分布。2020年全球铬矿资源量约90亿吨，基础储量13.82亿吨，储量6.85亿吨。2021年全球铬矿产量3480万吨，环比增长7%。南非、哈萨克斯坦、印度、土耳其、芬兰等五个国家铬矿产量占全球铬矿总产量94%。
供需平衡：近十年中国高碳铬铁产量随着不锈钢产量的增长，有三次明显的产能爬坡，而每次铬铁产能爬坡带来的铬矿需求骤增，都会因进口铬矿供应量无法匹配需求，对南非铬矿价格有较强的拉升作用。当前南非铬矿产能释放乏力且铬矿发运效率低下，价格周期与上次相比会发生变化，具体表现是，价格在上行和顶部持稳阶段占据的时间，会显著长于上次，若2022年南非铬矿增产不在100万吨以上，则较难应对现货缺口，只会高价格消耗港口库存，而库存过低又会反过来推动价格继续上涨。具体分析点击《Mysteel：铬矿多维度分析之供需平衡》
铬盐市场：重铬酸钠是铬盐最基础的产品，通过深加工可生产出铬酸酐、铬绿等多种含铬的无机、有机产品。我国是全球最大的铬盐生产和消费国，全球铬盐产业集中度较高，逐步形成了某一区域仅存一家主导性铬盐企业的市场格局。美国海明斯雄踞北美市场；土耳其金山集团立足中东，在全球各地拥有分支机构；印度威世奴辐射南亚地区；德国朗盛本部生产的铬盐颜料系产品仍在全球市场居于垄断地位。振华股份是国内铬盐行业唯一的上市公司，铬盐生产规模、技术水平、产品质量、市场占有率处于国内龙头地位，产能占比超过全国半数。从国际市场来看，以铬盐系列产品实际产量及盈利能力计，2020年振华股份仅次于土耳其金山集团，在全球排名第二位。2020年全球铬盐产能合计约为119万吨49.5万吨，其中我国产能占全球产能42%。2021年我国铬盐进口量为13437吨，同比下降31.45%。
总结：随中国能源结构的转型和调整，储能面临的是前所未有的机遇和爆发式的需求增长。在众多的储能技术中，铁-铬液流电池是一种极具发展潜力的大规模储能技术，是解决大规模新能源发电并网所带来的问题和提升电网对其接纳能力的重要措施，将带来产业链上游铬元素核心资源的消费新增。
