釩電池行業(yè)研究?jī)?chǔ)能金屬卓爾不“釩”

釩電池行業(yè)研究-儲(chǔ)能金屬卓爾不“釩”釩電池：國內(nèi)起步較早，政策東風(fēng)支持釩電池介紹液流電池是一種新型的大規(guī)模高效電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，國際上液流電池的種類主要有全釩液流電池、鋅溴電池、鐵鉻電池、多硫化鈉溴電池4種技術(shù)路線，其中全釩液流電池目前成熟度最高，商業(yè)化進(jìn)程最快，國內(nèi)外參與其研究開發(fā)的機(jī)構(gòu)與企業(yè)較多。全釩氧化還原液流電池又稱釩電池（VanadiumRedoxBattery，VRB），原理主要是通過釩離子價(jià)態(tài)變換實(shí)現(xiàn)電的儲(chǔ)能和釋放。具體來看，釩電池由兩個(gè)電解液儲(chǔ)液罐和中間的電堆構(gòu)成，工作時(shí)，正負(fù)兩極的電解液罐分別含有V4+、V5+和V2+、V3+的水溶液，通過外接泵將電解液壓入電池堆，使其在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)，采用離子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電。釩電池發(fā)展歷程全釩液流電池技術(shù)最早由澳大利亞新南威爾士大學(xué)Skyllas-Kazacos在1985年提出。隨著清潔能源發(fā)展對(duì)技術(shù)成熟度高、大規(guī)模、高安全、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)需求的急劇增加，日本、美國等簽約了大量全釩液流電池示范項(xiàng)目，加速推進(jìn)了全釩液流儲(chǔ)能示范項(xiàng)目的應(yīng)用和推廣。

我國在20世紀(jì)80年代末開始研究全釩液流電池技術(shù)，1995年研制出500W、1kW的樣機(jī)，擁有電解質(zhì)溶液制備、導(dǎo)電塑料成型等專利。此后中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司、清華大學(xué)、中科院沈陽金屬所、中南大學(xué)等機(jī)構(gòu)開始從事全釩液流電池的研發(fā)工作，攻克多項(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)。政策東風(fēng)加速釩電池發(fā)展釩電池作為新型儲(chǔ)能的一種，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化初期。2022年3月21日，十四五新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案發(fā)布，提出到2025年，新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)?；l(fā)展階段；到2030年，新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。其中液流電池被重點(diǎn)提及，《實(shí)施方案》將百兆瓦級(jí)液流電池技術(shù)納入“十四五”新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備攻關(guān)重點(diǎn)方向之一。2022年7月1日，國家能源局發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2022年版）（征求意見稿）》提出，中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動(dòng)力電池。

釩電池已成為新型儲(chǔ)能電站的重要力量。釩電池項(xiàng)目情況2016年國家能源局批復(fù)了第一個(gè)百兆瓦級(jí)全釩液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站，2022年5月大連液流電池國家100MW/400MW示范項(xiàng)目接入大連電網(wǎng)，2022年11月中核匯能1GWh全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)招標(biāo)完成，這是釩電池首個(gè)GWh級(jí)別項(xiàng)目。優(yōu)缺點(diǎn)：安全有保證，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能下成本占優(yōu)釩電池的優(yōu)點(diǎn)釩電池具有安全性高、循環(huán)壽命極長(zhǎng)、環(huán)境友好、響應(yīng)速度快、容量規(guī)模易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。安全性是儲(chǔ)能技術(shù)需要首先考慮的因素。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，過去幾年全球儲(chǔ)能領(lǐng)域共發(fā)生70起儲(chǔ)能安全事故，2022年1-10月，全球就已經(jīng)發(fā)生了17起以上的儲(chǔ)能著火事故，其中三元電池、磷酸鐵鋰電池均有涉及。釩電池本征安全，理論上不存在著火爆炸危險(xiǎn)。釩電池的電解液為釩離子的稀硫酸水溶液，電池中的化學(xué)反應(yīng)在溶液中進(jìn)行，固體電極只是負(fù)責(zé)電流的傳導(dǎo)，受到各種副反應(yīng)的影響較少，理論上只要控制好充放電截止電壓，保持電池系統(tǒng)存放空間通風(fēng)良好，即可保證安全，不存在著火爆炸的危險(xiǎn)。此外，隔膜即使出現(xiàn)破損，電解液混合后也不會(huì)導(dǎo)致電堆完全損壞。使用壽命長(zhǎng)，幾乎無衰減。影響電池使用壽命的一個(gè)重要因素是電池的深度充放電，當(dāng)電池中的活性物質(zhì)被反應(yīng)完全時(shí)，繼續(xù)充電或放電便很容易產(chǎn)生副產(chǎn)物，從而使電池容量減小。由于全釩液流電池是通過電解液中釩離子價(jià)態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放，沒有電極固體中復(fù)雜的副反應(yīng)，即使常年運(yùn)行由于微量的副反應(yīng)和正、負(fù)極電解液微量互串的累計(jì)造成容量衰減，也可以通過在線或離線再生反復(fù)循環(huán)利用，因此釩電池項(xiàng)目通?？梢赃\(yùn)營15-20年。全生命周期環(huán)境友好，易回收利用。釩電池的電堆和系統(tǒng)主要是由碳材料、塑料和金屬材料組裝而成，當(dāng)全釩液流電池系統(tǒng)廢棄時(shí)，金屬材料可以循環(huán)利用，碳材料、塑料可以作為燃料加以利用；電解液方面，由于全釩液流電池的充放電主要是釩離子的價(jià)態(tài)變化，因此其充放電幾乎不產(chǎn)生雜質(zhì)，也不產(chǎn)生環(huán)境污染物，回收處理的難度低，環(huán)境非常友好。響應(yīng)速度快、充電便捷。釩電池組充滿電解液瞬間啟動(dòng)。運(yùn)行過程中，充放電狀態(tài)切換僅需0.02秒，響應(yīng)速度為1毫秒。另外可以通過直接更換電解液實(shí)現(xiàn)釩電池的瞬間充電。釩電池的缺點(diǎn)釩電池主要缺點(diǎn)體現(xiàn)為能量密度低，全釩液流電池能量密度一般為15-50Wh/kg，同鉛酸電池相當(dāng)，低于鋰離子電池，因此實(shí)際占地較大，以100兆瓦/400兆瓦時(shí)的釩電池的大型儲(chǔ)能項(xiàng)目來說，用同樣的場(chǎng)地，如果換做鋰電池大概可以達(dá)到800-1000兆瓦時(shí)。工作環(huán)境相對(duì)局限，釩電池通常需要在0-45℃的環(huán)境下工作，溫度過低會(huì)導(dǎo)致電解液凝固，而溫度過高則會(huì)導(dǎo)致溶液中的V5+形成V2O5析出，從而堵塞電解液通道，導(dǎo)致電池報(bào)廢。成本是制約全釩液流電池發(fā)展的核心問題。目前釩電池的系統(tǒng)投資成本約為3000-4000元/kWh，鋰離子電池約為1500-2000元/kWh，結(jié)合中核匯能招標(biāo)價(jià)，全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)平均單價(jià)約3.1元/Wh，中標(biāo)價(jià)為2.65元/Wh，磷酸鐵鋰儲(chǔ)能的平均單價(jià)是1.44元/Wh，釩電池的投資成本約是磷酸鐵鋰的2倍左右。釩電池適用于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域可再生能源占比提升需長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能配套發(fā)展。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能通常是指大于4小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)天、數(shù)月充放電循環(huán)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。由于太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電具有不穩(wěn)定、不連續(xù)、不可控等特點(diǎn)，大規(guī)模并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來沖擊，因此也造成了大量的棄風(fēng)棄光現(xiàn)象，發(fā)展配套儲(chǔ)能電池系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)電能并網(wǎng)是目前新能源發(fā)電利用的重要問題。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，風(fēng)能/太陽能發(fā)電量占比50%-80%時(shí)，10小時(shí)以內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能將不可或缺。4小時(shí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能已成為真實(shí)剛需。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，新能源占比達(dá)到15-20%之后，4小時(shí)以上的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求成為剛需。內(nèi)蒙古發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的實(shí)施意見》提出，新建市場(chǎng)化并網(wǎng)新能源項(xiàng)目，配建儲(chǔ)能規(guī)模原則上不低于新能源項(xiàng)目裝機(jī)容量的15%，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)4小時(shí)以上?？萍疾肯掳l(fā)的《“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)2022年度項(xiàng)目申報(bào)指南》中也提出，儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)長(zhǎng)持續(xù)4個(gè)小時(shí)以上，將作為一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)收。在美國加州等光伏占比要求較高的地區(qū)，已開始使用6-8小時(shí)的儲(chǔ)能進(jìn)行調(diào)峰。儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，初始投資成本越低釩電池面臨的成本困境隨著長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能規(guī)模擴(kuò)張能夠得到緩解。

儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)初始投資成本越低。假設(shè)電解液價(jià)格約為1500元/kWh，儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為1h的儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格約為6000元/kWh，隨著儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)變長(zhǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)成本被分?jǐn)?，初始投資成本為3630元/kWh，參考行業(yè)內(nèi)招標(biāo)信息，頭部企業(yè)如大連融科2.65元/Wh，平均報(bào)價(jià)為3.1元/Wh。釩電池回收利用殘值高，可以半永久使用。由于釩電池電解液可在線或離線再生循環(huán)使用，自身不會(huì)降解，回收利用率較高，殘值可達(dá)70%以上，除電解液可循環(huán)利用外，電堆的電極和雙極板(碳材料)及電極框(塑料)可作為燃料使用，燃燒后只產(chǎn)生CO2和H2O，集流板為銅板，端板為鋁合金板或鑄鐵板，緊固螺桿為鋼材料，電池系統(tǒng)報(bào)廢后，很容易回收循環(huán)利用。產(chǎn)業(yè)鏈：關(guān)鍵環(huán)節(jié)推進(jìn)國產(chǎn)替代國產(chǎn)替代有望推動(dòng)降本全釩液流電池系統(tǒng)由電堆、電解質(zhì)溶液儲(chǔ)供子系統(tǒng)、電池管理子系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。

電解液和電堆是釩電池的核心環(huán)節(jié)。從成本占比看，電解液占比約41%，電堆占比約37%，二者是釩電池的主要成本來源。

產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，供給配套不完善，關(guān)鍵環(huán)節(jié)如離子交換膜等依賴進(jìn)口產(chǎn)品，是釩電池成本較高的原因之一。國產(chǎn)替代有望推動(dòng)降本。從近期產(chǎn)業(yè)鏈跟蹤來看，國內(nèi)釩電池產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)正在加速推進(jìn)，產(chǎn)品性能追趕進(jìn)口產(chǎn)品，隨著裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)張和政策大力支持，關(guān)鍵環(huán)節(jié)國產(chǎn)替代將推動(dòng)釩電池進(jìn)一步降本。電解液：提高利用率、創(chuàng)新商業(yè)模式推動(dòng)降本電解液是釩電池最大的成本來源，主要降本路徑為提高實(shí)際利用率和創(chuàng)新商業(yè)模式。電解液利用率有待提升。電解液的體積和濃度決定了全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存的最大能量，電解液中五氧化二釩占成本的2/3以上，理論上儲(chǔ)存1kWh的電能需要5.6kg五氧化二釩，但目前電解液的實(shí)際利用率僅能做到70%，五氧化二釩用量約為8kg，電解液利用率的提升將減少五氧化二釩用量，進(jìn)而降低投資成本。商業(yè)模式創(chuàng)新。由于電解液本身壽命較長(zhǎng)、衰減少，通過金融租賃等商業(yè)模式可以降低初期投資成本，目前業(yè)界正在逐步試點(diǎn)該模式。工業(yè)制備電解液多采用電解法，壁壘較高。電解液制備主要采用化學(xué)還原法和電解法，工業(yè)上多采用電解法，便于大規(guī)模生產(chǎn)，但也存在速率慢、設(shè)備要求高、耗能高、成本高等缺點(diǎn)。由于過程中需要考慮電解質(zhì)配比、溫度、添加劑等多種元素才可實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)高性能釩電解液，行業(yè)壁壘較高。目前國內(nèi)能夠批量生產(chǎn)電解液的企業(yè)只有大連融科和河鋼股份等少數(shù)幾家企業(yè)。質(zhì)子交換膜：國產(chǎn)產(chǎn)品成本占優(yōu)，滲透率有望提升進(jìn)口質(zhì)子交換膜價(jià)格昂貴。質(zhì)子交換膜是電極的主要成本來源，全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈的明珠。傳統(tǒng)釩電池使用的膜材料主要使用國外杜邦公司生產(chǎn)的全氟磺酸離子交換膜，其成本較高，約占電堆成本的55%，且釩離子選擇性相對(duì)較差。國產(chǎn)膜材料已實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，成本僅為進(jìn)口產(chǎn)品1/3，滲透率有望提升。根據(jù)GGII，2021年中國市場(chǎng)液流電池質(zhì)子交換膜國產(chǎn)化率約為23.15%，其中科慕（原杜邦）的全氟磺酸樹脂膜市場(chǎng)占比達(dá)75%，國內(nèi)出貨量靠前的企業(yè)為科潤(rùn)新材料和東岳未來氫能。國產(chǎn)質(zhì)子交換膜雖然在斷裂伸長(zhǎng)率、機(jī)械強(qiáng)度等仍有差距，但在電導(dǎo)率、含水率等關(guān)鍵指標(biāo)已追趕上國外企業(yè)，且成本更低，據(jù)科潤(rùn)新材介紹，其產(chǎn)品造價(jià)僅為進(jìn)口產(chǎn)品的1/3，因此國產(chǎn)質(zhì)子交換膜未來滲透率有望進(jìn)一步提升。供需：釩資源自主可控，儲(chǔ)能用釩打破平衡釩主要存在于釩鈦磁鐵礦98%的釩儲(chǔ)存在于釩鈦磁鐵礦，88%的釩產(chǎn)量來自于釩鈦磁鐵礦。釩在自然界中廣泛存在，目前發(fā)現(xiàn)的含釩礦物有70多種，但主要的礦物有以下3種：釩鈦磁鐵礦、鉀釩鈾礦、石油伴生礦。其中釩鈦磁鐵礦是主要存在形式，現(xiàn)在已探明的釩資源儲(chǔ)量的98%賦存于釩鈦磁鐵礦中。據(jù)釩鈦股份2021年公告，全球約88%的釩產(chǎn)量來自于釩鈦磁鐵礦（原生礦20%+和釩渣60%+），約12%的釩由含釩二次資源（含釩燃油灰渣、廢化學(xué)催化劑等）及含釩石煤生產(chǎn)。五氧化二釩是釩的主要二級(jí)產(chǎn)品，可作為合金添加劑用于冶煉釩鐵，約占五氧化二釩消費(fèi)量的80%以上。五氧化二釩通常從釩鈦磁鐵礦的尾礦和含釩石煤礦中提取冶煉，高爐-轉(zhuǎn)爐流程是目前國內(nèi)外釩鈦磁鐵礦最主要的冶煉方法。從原礦經(jīng)選礦、高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐提釩后得到釩渣，釩回收率約為50%，未來仍有提升空間。政策推動(dòng)下，液流電池滲透率迅速提升鋼鐵工業(yè)是釩的主要下游。傳統(tǒng)需求方面，釩在鋼鐵工業(yè)主要用于制造釩鐵、氮化釩、釩氮合金等；在合金領(lǐng)域可用于制造鈦合金，應(yīng)用在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、宇航船艙骨架、導(dǎo)彈、蒸汽輪機(jī)葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼等方面；在化工領(lǐng)域主要用于硫酸、尿素等的催化劑和著色劑使用。三大領(lǐng)域分別占比91.4%/2.80%/3.36%。儲(chǔ)能領(lǐng)域是釩下游的新興需求，2021年占比約為2.44%。政策推動(dòng)新型儲(chǔ)能進(jìn)入發(fā)展快車道。我們認(rèn)為是2022年新型儲(chǔ)能政策元年，未