1. 釩電池簡介

1.1 發(fā)展歷程：從“女神元素”到儲能電池

全釩液流電池（VFB）又稱釩電池，主要利用釩離子的價態(tài)的變化來實現(xiàn)電能的儲 存和釋放。從工作原理上來看，釩電池相比鋰離子電池的最大不同在于導(dǎo)電離子主要為 不同價態(tài)的釩離子。釩元素的價態(tài)多變，不同價態(tài)的化合物呈現(xiàn)不同的顏色，所以用北 歐神話里的女神 Vanadis（又名 Freyja，愛情與美貌之神）來命名，翻譯為中文就是“釩”。 充電時，正極的 VO2+失去電子成為 VO2 +，負(fù)極的 V3+得到電子成為 V2+；放電時則相反。 從結(jié)構(gòu)上看，與鋰電池的電解液集成在電池內(nèi)部不同，釩電池的正負(fù)極的兩側(cè)各有一個 電解液儲罐，通過循環(huán)泵輸送至電池內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)。

釩電池最早由澳大利亞新南威爾士大學(xué) Skyllas-Kazacos 提出，因其具有安全性 高、儲能容量大、使用壽命長等特點得到了長足的發(fā)展。釩電池正負(fù)極氧化還原電對使 用同種元素釩，電解液在長期運行過程中可再生，避免了交叉污染帶來的電池容量難以 恢復(fù)的問題；釩電池正負(fù)極反應(yīng)動力學(xué)良好，無外加催化劑即可達(dá)到較高的功率密度； 而且由于釩電池使用水溶液作為儲能介質(zhì)，避免了有機(jī)溶劑作為電解液時易燃易爆炸的 安全風(fēng)險，可靠性高。隨著清潔能源發(fā)展對儲能需求的增加，越來越多的研究單位和企 業(yè)開始涉足釩電池產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)，如日本住友電工、美國 UET 公司、英國 Invinity、奧 地利 Enerox、澳大利亞 TNG Ltd 公司等。 我國對釩電池的研究起步較早，目前已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)示范運行和市場開拓階段。 20 世紀(jì) 80 年代末，北京大學(xué)和中國地質(zhì)大學(xué)已建立了全釩液流電池實驗室模型。1995 年中國工程物理研究院研制出 1kW 的釩電池電堆樣機(jī)。此后，中南大學(xué)、中科院大連化 物所、清華大學(xué)、中科院沈陽金屬所、北京普能、大連融科等機(jī)構(gòu)開始從事釩電池的研 發(fā)和商業(yè)化推廣工作。2022 年 10 月 31 日，全球最大的全釩液流電池儲能電站建成并 在遼寧大連并網(wǎng)發(fā)電，一期規(guī)模為 100MW/400MWh。

1.2 市場：乘儲能東風(fēng)，溪云初起正當(dāng)時

隨著儲能行業(yè)的快速發(fā)展，釩電池裝機(jī)規(guī)模有望進(jìn)一步增長。根據(jù)國家能源局的數(shù) 據(jù)，截至 2022 年底，全國已投運新型儲能項目裝機(jī)規(guī)模達(dá) 870 萬千瓦，平均儲能時長 約 2.1 小時，比 2021 年底增長 110%以上。2021 年 7 月，國家能源局在《關(guān)于加快推 動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出，到 2025 年，我國新型儲能裝機(jī)容量要達(dá)到 30GW 以上。而根據(jù) 2022 年 11 月中國電力企業(yè)聯(lián)合會《新能源配儲能運行情況調(diào)研報告》的 數(shù)據(jù)，到 2025 年，國內(nèi)各省規(guī)劃的新型儲能裝機(jī)規(guī)模合計超過 60GW。而釩電池作為 儲能技術(shù)的一種，2021 年和 2022 年在新型儲能裝機(jī)中的占比分別為 0.6%、2.3%，并 有望隨著長時儲能需求的增大，滲透率進(jìn)一步提升。

樂觀場景下，假設(shè)各省儲能目標(biāo)都能順利實現(xiàn)，2025 年國內(nèi)釩電池市場滲透率達(dá)到 15%，平均儲能時長為 4h，則預(yù)計 2025 年釩電池的裝機(jī)功率為 9GW，裝機(jī)容量達(dá)到 36GWh 以上，而釩電池產(chǎn)業(yè)將從商業(yè)化初期進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展階段。

2. 產(chǎn)業(yè)鏈：技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)業(yè)鏈初步成形

目前釩電池產(chǎn)業(yè)處在商業(yè)化早期，市場需求未打開，相關(guān)企業(yè)分為三類：上游釩礦、 中游原材料商和電池集成商?，F(xiàn)階段釩電池產(chǎn)業(yè)鏈面臨的主要問題是：成本問題制約了 釩電池的規(guī)?；袌鰬?yīng)用。后續(xù)隨著產(chǎn)業(yè)鏈的完善，成本會有進(jìn)一步的下降空間。

2.1 上游：我國釩儲量全球第一，自有釩礦企業(yè)鑄就資源壁壘

我國釩儲量非常豐富，主要集中分布在四川攀枝花和河北承德等地區(qū)。在釩儲量方 面，根據(jù) USGS 數(shù)據(jù)，我國已探明釩儲量 950 萬噸，約占全球總儲量的 37.6%，位居全 球第一。在釩制品產(chǎn)量方面，根據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2021 年中國大陸釩產(chǎn)量約 為 13.6 萬噸，占全球產(chǎn)量比例約 65%，其中 2021 年四川攀西地區(qū)的釩產(chǎn)量為 6.2 萬 噸，約占全國釩產(chǎn)量的 44%，占全球釩產(chǎn)量的 30%。在釩資源的分布上，我國目前可提 取的釩礦主要分布在四川攀枝花和河北承德，其中四川攀西地區(qū)的釩儲量最高，約占國 內(nèi)已探明釩儲量的 63%；其他地區(qū)如中核鈦白所在甘肅省，雖然也有分布，但以含釩石 煤為主，資源利用率較差。

在釩資源的應(yīng)用方面，目前國內(nèi) 95%以上的釩產(chǎn)品應(yīng)用在鋼鐵領(lǐng)域，2%應(yīng)用在釩 儲能領(lǐng)域。從釩消費領(lǐng)域來看，釩制品主要應(yīng)用于鋼鐵領(lǐng)域，約占 90%以上。將釩應(yīng)用 于鋼鐵鑄造領(lǐng)域，可顯著提高鋼鐵的強度、韌性和耐磨性；釩在鈦合金中可作為穩(wěn)定劑 和強化劑，提高鈦合金的延展性和可塑性；在化工領(lǐng)域，釩是重要的化工原料和催化劑； 在儲能領(lǐng)域，釩電解液是全釩液流電池的重要組件。隨著釩電池產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)行，對釩產(chǎn) 品的需求有望快速增大，上游釩制品生產(chǎn)線需要進(jìn)一步的規(guī)模擴(kuò)大和技術(shù)升級改造。

現(xiàn)階段釩資源的開發(fā)和利用以釩鈦磁鐵礦煉鋼副產(chǎn)釩渣為主。我國釩資源主要為釩 鈦磁鐵礦和含釩石煤，二者占比分別為 52%，48%。不過由于石煤提釩的回收率低、環(huán) 保壓力大生產(chǎn)成本高，目前我國釩資源的開發(fā)和利用以釩鈦磁鐵礦為主，在產(chǎn)釩原料占 比中為 90%左右。據(jù)國際釩技術(shù)委員會（Vanitec）統(tǒng)計，全球約有 76%的釩來自中國、 俄羅斯和新西蘭鋼廠的副產(chǎn)煉鋼釩渣；約 13%的釩產(chǎn)量直接來自于釩鈦磁鐵礦，以南非 的布什維爾德礦業(yè)公司和嘉能可公司、巴西的 Largo 資源公司為代表；約 11%的釩由二 次回收的含釩副產(chǎn)品（含釩燃油灰渣、廢化學(xué)催化劑等）及含釩石煤生產(chǎn)。

提釩工藝方面，現(xiàn)階段主要采用以釩渣為原料的鈉化焙燒提釩工藝。高爐－轉(zhuǎn)爐冶 煉技術(shù)是一種傳統(tǒng)的冶煉釩鈦磁鐵礦精礦的方法。在整個高爐－轉(zhuǎn)爐冶煉釩鈦磁鐵礦的 流程中，主要產(chǎn)生了三種爐渣，即含鈦高爐渣，釩渣和鋼渣。釩渣提釩工藝主要包括鈉 化焙燒提釩工藝、鈣化焙燒提釩工藝、亞熔鹽提釩工藝、無鹽焙燒提釩工藝等，其中鈉 化焙燒提釩工藝是目前應(yīng)用最廣泛、最傳統(tǒng)的提釩工藝。國內(nèi)以釩鈦磁鐵礦為原料生產(chǎn) 釩制品的企業(yè)有釩鈦股份、建龍鋼鐵、承德釩鈦、川威集團(tuán)、德勝釩鈦等。

隨著儲能領(lǐng)域?qū)︹C需求的增大和提釩技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來石煤提釩在釩工業(yè)的應(yīng) 用比例會逐步提高。相比釩鈦磁鐵礦煉鋼后的釩渣提釩（釩渣含釩量約為 15%），石煤 礦的釩含量偏低，僅為 1%左右，且提釩成本明顯偏高，約為 6~8 萬元/噸，所以現(xiàn)階段 從事石煤提釩生產(chǎn)的多為中小型企業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，2022 年我國石煤提釩在產(chǎn)企業(yè)有 14 家，總產(chǎn)能約為 1.4 萬噸，主要集中在陜西商洛、河南等地區(qū)。

鋼鐵行業(yè)用釩需求增量有限，釩電池產(chǎn)業(yè)化或帶動釩消耗量迅速增加。2022 年，房 地產(chǎn)行業(yè)對鋼鐵需求持續(xù)下降，汽車、機(jī)械行業(yè)對鋼鐵需求保持增長但增幅較小。根據(jù) 中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2022 年中國粗鋼產(chǎn)量 10.13 億噸，同比下降 2.1%，連續(xù)第二 年下降。由于釩制品在鋼鐵領(lǐng)域的主要應(yīng)用為螺紋鋼等精鋼領(lǐng)域，未來釩在精鋼里的添 加量有望進(jìn)一步提高，因此預(yù)計短期內(nèi)鋼鐵行業(yè)用釩不會明顯減少，也不會有大幅的增 長。

釩制品的供給相對剛性，未來產(chǎn)能增量較為有限。由于現(xiàn)階段釩產(chǎn)品主要來源于釩 鈦磁鐵礦煉鋼后的釩渣提釩，而當(dāng)前國內(nèi)政策嚴(yán)格控制鋼鐵產(chǎn)能，因此未來采用釩渣提 釩工藝帶來的釩制品產(chǎn)能增量較為有限。石煤提釩工藝當(dāng)前成本偏高，約為 8-10 萬元/ 噸，且現(xiàn)有工藝環(huán)保壓力較大，有待技術(shù)進(jìn)一步成熟降低成本。

釩產(chǎn)品歷史價格受鋼鐵行業(yè)影響明顯，隨著釩電池對釩需求的增大，釩產(chǎn)品價格有 望上漲。自 2018 年 11 月 1 日起，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)建筑鋼材執(zhí)行新的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1499.2-2018，新標(biāo)準(zhǔn)對螺紋鋼中釩鐵用量提出了明確要求，此后鋼鐵行業(yè)釩用量 迅速增加，帶動釩產(chǎn)品價格上漲，后續(xù)隨著產(chǎn)能增加，釩價理性回歸并進(jìn)入市場盤整期。 根據(jù)百川盈孚的數(shù)據(jù)，2023 年 3 月 17 日，國內(nèi)原料大廠 98%片釩價格維持在 14 萬元/噸，預(yù)計短期內(nèi)釩市場波動空間不大。后續(xù)隨著儲能電池項目的加速落地，釩電池用釩 需求有望推動釩價上漲。

2.2 中游：關(guān)鍵材料自主可控，國產(chǎn)替代趨勢明顯

釩電池所需關(guān)鍵材料基本可以實現(xiàn)全國產(chǎn)化，部分部件仍與國外先進(jìn)水平有一定差 距。典型的全釩液流電池儲能系統(tǒng)主要包含電解液、循環(huán)泵、電池端板、集流板、雙極 板、電極、隔膜、電極框等。電極材料上，目前市面上有國產(chǎn)化的石墨氈電極，在碳纖 維制備、品相性能與國外相比有一定差距，但是應(yīng)用在釩電池上影響沒那么大，未來不 是卡脖子的領(lǐng)域；膜制品上，部分國內(nèi)公司如山東東岳已經(jīng)有商用的全氟磺酸膜，還有 中科院大連化物所研發(fā)的非氟的多孔膜，成本已大幅降低；電解液需求量大、成本略高 等。但隨著釩電池需求的增大和產(chǎn)能的鋪開，釩電池關(guān)鍵材料的制造成本有望進(jìn)一步下 降，電化學(xué)性能有望進(jìn)一步提高。

電解液是釩電池電能的載體，其性能直接影響著釩電池的儲電能力。電解液的發(fā)展 方向為高濃度、高穩(wěn)定性、高電化學(xué)活性。 電解液技術(shù)突破的難點在于釩離子濃度的提升。全釩液流電池的電化學(xué)活性物質(zhì)中， 釩的濃度一般在 1.4-1.7mol/L,而商業(yè)化的電解液通常使用硫酸水溶液作為基質(zhì)，正負(fù)極 分別硫酸氧釩和硫酸釩。硫酸的質(zhì)量百分比濃度約在 30%左右。自 2015 年起，我國陸 續(xù)啟動對混酸體系和鹽酸體系的電解液研究，新型電解液的釩離子濃度在實驗室階段可 達(dá) 3~5mol/L。

釩電解液制備主要包括物理溶解法、化學(xué)還原法和電解法。物理溶解法是用硫酸直 接溶解高純度的 VOSO4 固體制得?；瘜W(xué)還原法主要采用單質(zhì)硫、亞硫酸、有機(jī)羧酸或醇 等還原劑在一定溫度下將五價釩還原為四價或三價釩。比化學(xué)還原法更簡單，不易引入 新的雜質(zhì)，通常以純度較高 V2O5 或萃取法制備的硫酸氧釩為原料?；瘜W(xué)還原法和電解法 各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)具體情況擇優(yōu)選擇。 釩離子濃度對電池性能產(chǎn)生重要影響，需控制在合理濃度范圍內(nèi)。釩離子濃度變大， 電解液能量密度提高，電壓效率提高，但高濃度五價溶液在接近全充電態(tài)時會析出沉淀， 降低電池的能量效率。另外，電解液中硫酸濃度也會顯著影響釩離子的溶解度。當(dāng)釩電 解液中硫酸濃度增大，V5+/V4+和 V3+/V2+氧化還原電對的氧化峰電流和還原峰電流均有 所增大，低價釩離子溶解度隨之降低。

溫度影響電解液的穩(wěn)定性，需增加額外控溫單元。溫度上限方面，從釩電池健康運 行的角度來說，電解液最好不超過 45℃。因為液流電池的電解液都是水溶液，45℃以上就有五價釩析出的風(fēng)險，雖然不會立馬析出，但這種風(fēng)險必須要考慮。溫度過高時，比 如達(dá)到 50℃以上，靠近正極部分電解液中會有五氧化二釩析出，進(jìn)而堵塞管路，引起電 堆失效等一系列問題。溫度下限方面，零下二十度低溫運行雖然沒太大問題，但是低溫 下電池效率會降低很多。溫度的問題主要通過集裝箱增加溫控單元來解決，也就是俗稱 的空調(diào)。高溫會啟動制冷機(jī)來冷卻電解液，低溫下只要電池啟動后設(shè)備運行本身就會釋 放一部分熱量，從而使電解液保持在合理的溫度范圍內(nèi)，保障全釩液流電池始終處于平 穩(wěn)健康運行狀態(tài)。 當(dāng)前電解液制備成本略高，以租代售模式或?qū)⑼苿赢a(chǎn)業(yè)化提速。釩的純度也影響著 電解液的性能，高純度的釩原料（V2O5）往往造價很高，2022 年價格在 10 萬/噸以上。 經(jīng)過研究者研究發(fā)現(xiàn)，原則上只要純度足夠，就可以滿足使用的需求。影響性能的雜質(zhì) 需控制在一定范圍內(nèi)，不影響性能的雜質(zhì)多少對性能的影響可忽略。目前釩電池電解液 的回收率較高，約為 70%-80%，同時由于電解液的資金占有率偏高，部分機(jī)構(gòu)提出以租 代售的商業(yè)模式，引入一個資本方，作為電解液的擁有者，來減少電解液使用方的資金 壓力。2022 年海螺公司創(chuàng)建電解液租賃商業(yè)模式并在安徽樅陽完成首單電解液采購及 租賃服務(wù)。

現(xiàn)階段電解液生產(chǎn)技術(shù)壁壘較高，參與布局的企業(yè)主要有大連融科、釩鈦股份、河 鋼股份、星明能源等。其中大連融科在釩電解液領(lǐng)域的技術(shù)實力最為雄厚，建有全球規(guī) 模最大的釩電解液生產(chǎn)線，現(xiàn)有電解液產(chǎn)能超過 6萬立方米，占據(jù)國內(nèi)外市場份額的80% 以上。 全釩液流電池中，位于離子交換膜兩側(cè)電極材料是其中的核心組件之一，電極表面 是全釩液流電池發(fā)生氧化還原反應(yīng)的場所。 結(jié)構(gòu)設(shè)計上，電極流道由無流道型向分裂蛇形流道發(fā)展。電極流道對電堆的性能影 響也較大，相比于傳統(tǒng)蛇形和傳統(tǒng)交叉形流道，交錯蛇形流道中電解液一次性滲入、滲 出，有利于降低濃差過電位，提高邊界層傳質(zhì)系數(shù)，從而促進(jìn)反應(yīng)離子在邊界層的傳質(zhì)。 電極流道研究由無流道向平行、叉指、蛇形發(fā)展，再由普通蛇形向旋轉(zhuǎn)蛇形流道、分裂 蛇形流道發(fā)展。 材料選型上，釩電池電極材料的研究主要集中在金屬電極和碳素電極，碳素類電極 更具成本優(yōu)勢。金屬電極中被廣泛關(guān)注的材料包括金、鉛、鈦、鈦基鉑和鈦基氧化銥等，但到目前為止，金、鉛、鈦所展現(xiàn)的電池的電化學(xué)性能相對欠佳，而鈦基鉑和鈦基氧化 銥雖然能夠較好的滿足前三點對電極材料的要求，但成本很高，難以實現(xiàn)大規(guī)模廣泛應(yīng) 用。因此，更多的關(guān)注投向了成本具有很大優(yōu)勢的碳素類電極材料。

碳素類電極材料主要包括玻碳、碳紙、石墨氈、碳?xì)值忍祭w維材料。其中，石墨氈 和碳?xì)钟捎谄涑杀鞠鄬Φ土⑶曳€(wěn)定性好，導(dǎo)電能力突出，高比表面積等特點，因此 被用作釩液流電池的主要電極材料。 石墨氈電極的商業(yè)化制備方法是以專用的聚丙烯腈（PAN）原絲經(jīng)過一系列熱處理 后，由有機(jī)合成纖維轉(zhuǎn)換為碳含量在 92%以上的無機(jī)碳纖維。目前生產(chǎn) PAN 基碳纖維 的知名企業(yè)包括日本的東麗、東邦、三菱人造絲公司，美國郝克利公司和阿莫克公司， 德國的西格里（SGL）公司等。

在國產(chǎn)化方面，我國當(dāng)前的電極材料已基本能滿足釩電池使用需求。目前生產(chǎn)電極 的主要企業(yè)有江油潤生、遼寧金谷、江蘇普向、嘉興納科等。目前市面上有國產(chǎn)化的石 墨氈電極，在碳纖維制備、品相性能與國外相比有一定差距，但是應(yīng)用在釩電池上影響 沒那么大，未來不是卡脖子的領(lǐng)域。比如大連化物所研發(fā)的碳?xì)蛛姌O，親水性極佳，電 化學(xué)方面電流密度也滿足現(xiàn)階段使用要求，更高導(dǎo)電性的電極材料也在開發(fā)當(dāng)中，以滿 足未來釩電池更高功率密度的要求。 隔膜是另一影響釩電池工作性能的關(guān)鍵材料，主要通過分隔正負(fù)極電解液并選擇性 透過離子的方式實現(xiàn)電池結(jié)構(gòu)中完整回路的構(gòu)建。

目前，商業(yè)領(lǐng)域廣泛采用的是以杜邦公司（科慕）生產(chǎn)的 Nafion 膜為代表的質(zhì)子 交換膜。Nafion 膜以磺酸基團(tuán)為交換基團(tuán)，是全釩氧化還原液流電池的標(biāo)準(zhǔn)隔膜，在電 解液中的穩(wěn)定性高。但由于存在釩離子滲透率較高、價格高昂（Nafion 膜價格將近 6000 元/平方米）等缺陷，這也在一定程度上限制了液流電池的進(jìn)一步發(fā)展。

釩電池隔膜技術(shù)仍在迭代中，含氟膜、非氟樹脂、多孔膜等技術(shù)路線的競爭格局尚 未明朗。諸如，價格低的其他含氟材料，如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚四氟乙烯（PTFE） 等得到了很多研究；通過提高隔膜質(zhì)子選擇性，降低成本的非氟類工程樹脂，如聚醚醚 酮、聚酰亞胺、聚砜、聚苯并咪唑等得到了極大關(guān)注；電池封裝有優(yōu)勢的多孔膜，也被 研究者們逐漸應(yīng)用到釩電池體系中，如大連化物所研究團(tuán)隊將可焊接多孔離子傳導(dǎo)膜引 入釩電池電堆，可以與電極框等其他組件，通過激光焊接形成密封一體化組件。

在隔膜制備工藝方面，目前可批量生產(chǎn)全氟磺酸膜的制備工藝主要有熔融擠出法和 流延法。科慕主要采用熔融擠出法生產(chǎn)，而國內(nèi)的蘇州科潤新材料公司主要采用鋼帶流 延法進(jìn)行生產(chǎn)。熔融擠出法對生產(chǎn)設(shè)備要求高，設(shè)備價格昂貴，國內(nèi)暫時無法大規(guī)模推 廣；鋼帶流延法相對其他流延法溶劑揮發(fā)速度快，可連續(xù)化生產(chǎn)，雖然工藝較熔融擠出 法復(fù)雜，但設(shè)備要求低，生產(chǎn)成本也較低，是未來重要發(fā)展方向。目前，我國隔膜、雙 極板、電極等電堆材料多采用釩電池企業(yè)自研自產(chǎn)或外協(xié)加工的形式，一體化程度較高，在國產(chǎn)替代方面已經(jīng)取得一定成果；但關(guān)鍵性的熔融擠出壓延成型技術(shù)長期被國外壟斷， 導(dǎo)致成本高昂。

2.3 下游：技術(shù)迭代推動系統(tǒng)降本，釩電池產(chǎn)業(yè)化有望提速

釩電池電堆是發(fā)生充放電反應(yīng)，實現(xiàn)電能化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的部件，是釩電池儲能系 統(tǒng)的核心部件。電堆的主要構(gòu)成包括隔膜、電極、雙極板、流場板、集流體、端板等部 件，通過層層組裝、焊接等工藝制備而成。

全釩液流電池電堆的各種效率和電解液利用率之間密切相關(guān)。電堆的庫侖效率與離 子交換(傳導(dǎo))膜的質(zhì)子選擇性密切相關(guān)，電壓效率與離子交換(傳導(dǎo))膜及電堆的內(nèi)阻密切 相關(guān)，電堆的能量效率為庫侖效率和電壓效率的乘積。而電解液的利用率與電壓效率密 切相關(guān)。理論儲存 1kWh 的電能，需要 5.6kgV2O5，如果電解液的利用率為 70%，則實 際上儲存 1kWh 的電能大約需要 8kgV2O5，同樣地，如果把電解液的利用率提高到 80%， 實際上儲存 1kWh 的電能，大約僅需要 7kgV2O5。

近年來隨著電池材料技術(shù)和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，使電池內(nèi)阻不斷減 小，性能不斷提高。電堆設(shè)計方面，現(xiàn)階段在保持電堆的能量效率不低于 80%的條件下， 電池工作電流密度由原來的 60～80mA/cm2 提高到 200～300mA/cm2。電池的功率密度 顯著提高，材料使用量減少，電堆成本大幅度降低。體積方面，全釩液流電池的能量密 度為二十多瓦每公斤，鋰電池是百瓦時每公斤，整體上有數(shù)量級的差距。但是做成儲能 電站的話，釩電池模塊可以安裝在不同樓層，在同一平面上也可以緊密排布，鋰電池由 于安全距離（防火）的存在，兩者實際占地面積的差距其實不是很大。能效方面，現(xiàn)階段電堆工作效率最高可以做到 90%，但是考慮綜合經(jīng)濟(jì)性能，釩電池工作效率一般在 75%-80%。

一個完整的全釩液流電池儲能系統(tǒng)除了電堆和儲液罐之外，還包括溫控系統(tǒng)、循環(huán) 模塊（正極泵、負(fù)極泵、管路等）、儲能變流器（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）和能量 管理系統(tǒng)（EMS）等。溫控系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)主要有：英維克、申菱環(huán)境、松芝股份、高瀾 股份、同飛股份等。儲能變流器相關(guān)企業(yè)主要有：陽光電源、科華恒盛、東方日升、科 陸電子、上能電氣等。能量管理系統(tǒng)相關(guān)企業(yè)主要：國電南瑞、許繼集團(tuán)、平高電氣、 南瑞繼保等。

釩電池儲能系統(tǒng)的輸出功率和儲能容量相互獨立，設(shè)計和安裝靈活，非常適用于大 規(guī)模、大容量、長時儲能。全釩液流電池儲能系統(tǒng)的輸出功率由電堆的大小和數(shù)量決定， 而儲能容量由電解液的體積決定。要增加輸出功率，只要增大電堆的電極面積和增加電 堆的數(shù)量就可實現(xiàn)；要增加儲能容量，只要增加電解液的體積就可實現(xiàn)。同時受釩離子 溶解度等的限制，全釩液流電池的能量密度較低，只適用于對體積、重量要求不高的固 定儲能電站，而不適合用于移動電源和動力電池。 釩電池儲能系統(tǒng)初裝成本高于鋰電池，但隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大成本有望進(jìn) 一步下降。液流電池儲能系統(tǒng)包括液流電池單元、變流設(shè)備、變壓和系統(tǒng)設(shè)備等，占項 目初始投資成本的 80%左右，建筑工程及其他費用占比 20%左右。就初建成本方面， 初期建設(shè)的前兩年，鋰離子電池（以磷酸鐵鋰電池為例）約為 1000 元/kWh，2022 年受 原材料碳酸鋰價格上漲因素影響，初建成本大約是 2000 元/kWh，而對于儲能時長為 4h的全釩液流電池儲能系統(tǒng)來說，初次投資成本為 3000 元/kWh 左右，是鋰電池的 1.5 倍 左右。

根據(jù) 2022 年中核匯能儲能系統(tǒng)招標(biāo)情況，其中標(biāo)段二和標(biāo)段三中磷酸鐵鋰電池的 報價區(qū)間在 1.41-1.47 元/Wh 之間，標(biāo)段一的 5 家釩電池儲能系統(tǒng)投標(biāo)報價區(qū)間在 2.20- 3.62 元/Wh 之間，第一候選人大連融科的報價為 2.65 元/Wh。該項目中全釩液流電池儲 能系統(tǒng)的投標(biāo)單價為磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)的 1.5-2.57 倍。 然而，全使用周期內(nèi)，全釩液流電池儲能成本低于鋰離子電池。從電池使用壽命角 度來看，典型的鋰離子電池，如磷酸鐵鋰電池，完整使用周期內(nèi)可以做到 5000 次充放 電循環(huán)左右，全釩液流電池基本都可以達(dá)到 15000-16000 次充放電循環(huán)和 20 年左右的 使用壽命，是鋰電池的 2-3 倍。所以從全生命周期內(nèi)使用角度來說，全釩液流電池的成 本要低于鋰離子電池。

當(dāng)前釩電池產(chǎn)業(yè)化仍處于初級階段，相關(guān)配儲政策有望進(jìn)一步出臺。由于當(dāng)前釩電 池初始投資成本偏高，中小企業(yè)的投資意愿不強，現(xiàn)有的釩電池儲能項目多為地方政府 的示范項目，建設(shè)和運營主體多為大型國有企業(yè)。而且現(xiàn)階段建設(shè)的電化學(xué)儲能電站配 置儲能時長多為 2 小時，而釩電池在大規(guī)模長時儲能領(lǐng)域（如儲能時長 4 小時以上）優(yōu) 于鋰電池，后續(xù)隨著電網(wǎng)側(cè)對長時儲能的需求不斷增大，相關(guān)配儲政策有望進(jìn)一步出臺， 加速推動釩電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

3. 儲能路線對比：釩電池是大規(guī)模長時儲能的優(yōu)選路徑

3.1 儲能技術(shù)對比：規(guī)模儲能技術(shù)中，液流電池最安全經(jīng)濟(jì)

碳中和背景下，多種儲能技術(shù)在競爭中不斷迭代發(fā)展。根據(jù)不同應(yīng)用場合的需要， 人們開發(fā)了多種形式的儲能技術(shù)。常見的儲能技術(shù)以物理儲能和化學(xué)儲能為主，其中， 物理儲能主要包含抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容器儲能等，化學(xué)儲能主要包含液流電池、鈉硫電池、金屬空氣電池和鉛酸蓄電池和鋰離子電池等。 隨著技術(shù)的迭代和需求的變化，這些儲能技術(shù)有望占領(lǐng)絕大部分儲能市場。

在所有儲能技術(shù)中，液流電池由于安全性高，儲能壽命長等特點，在大規(guī)模長時儲 能領(lǐng)域極具競爭優(yōu)勢。適用于規(guī)模儲能的主要技術(shù)路線為抽水蓄能、壓縮空氣儲能、鋰 離子電池、鈉流電池和液流電池。其中，抽水蓄能和壓縮空氣儲能具有技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì) 性好、壽命周期長、儲能容量大的突出優(yōu)勢，但是由于地理和地質(zhì)條件制約，使其應(yīng)用 受到很大限制，鋰離子電池能量密度高、循環(huán)性能好，但是成本較高，生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì) 性偏低；鈉硫電池已經(jīng)在日本得到了很大規(guī)模的應(yīng)用，但需要在高溫條件下運行，存在 嚴(yán)重的安全隱患；液流電池具有安全可靠、生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)境負(fù)荷低，是最適 合于規(guī)模儲能的技術(shù)方案之一。

3.2 液流電池對比：釩電池成熟度最好、商業(yè)化最高、研究最系統(tǒng)

在現(xiàn)階段主要液流電池體系中，全釩液流電池的技術(shù)最成熟、產(chǎn)業(yè)化最充分，在國 內(nèi)外都得到了充分認(rèn)可，目前處于大規(guī)模商業(yè)化推廣階段。

從理論性能上來看，全釩液流電池的循環(huán)壽命和能量效率明顯高于其他液流電池。 目前主流的液流電池當(dāng)中，能量效率比較高的是全釩液流電池、鋅鎳液流電池和鋅鐵液 流電池。使用壽命上，鋅鎳液流電池充放電循環(huán)約為 10000 次，鋅鐵液流電池的循環(huán)壽 命約為 15000 次，顯著低于全釩液流電池的 20000 次。 從技術(shù)成熟度上來看，目前技術(shù)最成熟的液流電池是全釩液流電池，鋅溴液流電池 目前國外研究的比較多。釩電池自上世紀(jì) 80 年代最早由澳大利亞一位教授提出，近幾 年國內(nèi)的進(jìn)展比國外快，其主要原因是資源問題，我國有釩儲量大的先天優(yōu)勢。近些年 國內(nèi)也有進(jìn)行鋅溴、鋅鐵液流電池的開發(fā)，但從技術(shù)成熟度方面，明顯不如釩電池，還 有很多工作要做。鐵鉻液流電池前段時間有國電投在研究開發(fā)，但因為鉻離子電對的活 性低，極化比較弱，實際工作溫度需要提高到 60℃左右，已經(jīng)到達(dá)電池內(nèi)一些塑料密封 組件的軟化點附近，使用上還存在諸多問題。

從商業(yè)化程度來說，全釩液流電池的商業(yè)化程度最高。目前國內(nèi)的融科儲能和北京 普能已成功建立多個百兆瓦級全釩液流電池儲能示范項目。其中由大連融科建造的全球 最大 100MW/400MWh 級全釩液流電池儲能電站已于 2022 年 10 月份正式并網(wǎng)發(fā)電。 鐵鉻液流電池和鋅鎳液流電池國內(nèi)外在商業(yè)化程度上基本相同，前者在技術(shù)上較為成熟， 目前處于商業(yè)化示范向商業(yè)化應(yīng)用的過渡時期，而后者受制于鎳價的快速上漲，仍處于 技術(shù)示范階段，沒有得到進(jìn)一步的技術(shù)放大和應(yīng)用。鋅溴、鋅鐵液流電池在國內(nèi)的商業(yè) 化進(jìn)展稍稍落后于國外。在技術(shù)層面，鋅溴液流電池作為國內(nèi)外長時問研發(fā)的電池體系， 其技術(shù)和產(chǎn)品的成熟度較高，后續(xù)商業(yè)化推廣一方面依賴相關(guān)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新突破、降 本增效，另一方面還需要更精準(zhǔn)的場景應(yīng)用與推廣。

4. 發(fā)展趨勢：釩電池有望在儲能產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；?、高安全化 進(jìn)程中充分收益

4.1 儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展邁向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化，長時儲能崢嶸初顯

隨著我國能源需求持續(xù)加大，大規(guī)模長時儲能技術(shù)逐漸成為重要新興產(chǎn)業(yè)。隨著我 國風(fēng)電、光伏等新能源發(fā)電占比逐步提高，其發(fā)電的不穩(wěn)定性導(dǎo)致電網(wǎng)輸配電壓力加大， 與此同時夏冬兩季用電高峰、日間用電負(fù)荷的波動性，對電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性提出了更 高要求。新型儲能技術(shù)具有響應(yīng)快、配置靈活、建設(shè)周期短等優(yōu)勢，可在新能源比重不 斷提高的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用。

根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CNESA）不完全統(tǒng)計，2022 年，國內(nèi)新增投運新型儲 能項目裝機(jī)規(guī)模達(dá) 6.9GW/15.3GWh，功率規(guī)模首次突破 6GW，能量規(guī)模首次突破 15GWh。著名國際咨詢機(jī)構(gòu)麥肯錫預(yù)計，2025 年儲能技術(shù)對全球經(jīng)濟(jì)價值貢獻(xiàn)將超過 １萬億美元。由此可見，大規(guī)模儲能技術(shù)即將成為能源領(lǐng)域的重要新興產(chǎn)業(yè)，在全球范 圍內(nèi)形成巨大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。

目前我國儲能新增裝機(jī)結(jié)構(gòu)是 78.97%的儲能市場是抽水儲能，18%是鋰離子電池 技術(shù)，其他儲能技術(shù)裝機(jī)不到 4%。造成這一現(xiàn)狀的歷史原因：一是技術(shù)方面，抽水蓄能 和鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈比較完善，發(fā)展也比較成熟，自然就占據(jù)一個比較高的市場份額； 二是成本方面，目前在電化學(xué)儲能領(lǐng)域，除了鉛酸電池之外，能源效率上還沒有其他電 池能與鋰離子電池競爭。

隨著電化學(xué)儲能裝機(jī)量的不斷增大，儲能行業(yè)發(fā)展正邁向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化。根據(jù)中 國電力企業(yè)聯(lián)合會的數(shù)據(jù)，截至 2022 年底，以投運的電化學(xué)儲能電站以中型電站為主， 占比 51.46%，同比增長 67.65%；但大型電化學(xué)儲能電站增速最快，同比增長 343.47%； 小型儲能電站投運總規(guī)模占比最小，僅為 5.91%。 需求增大疊加政策發(fā)力，長時儲能崢嶸初顯。長時儲能一般指的是 4 小時以上的儲 能技術(shù)。而現(xiàn)階段電化學(xué)儲能裝機(jī)中占主導(dǎo)的鋰電池普遍儲能時長較短，根據(jù)國家能源 局的數(shù)據(jù)，2022 年國內(nèi)新型儲能裝機(jī)平均時長為 2.1 小時。隨著可再生能源發(fā)電裝機(jī)量 的增大，新能源消納和電網(wǎng)調(diào)峰對儲能時長也提出了高的要求。2022 年 12 月內(nèi)蒙古自治區(qū)政府在《內(nèi)蒙古自治區(qū)支持新型儲能發(fā)展的若干政策（2022—2025 年）》中指出， 新建市場化并網(wǎng)新能源項目，配建儲能原則上不低于新能源項目裝機(jī)容量的 15%，儲能 時長 4 小時以上。根據(jù)全球長時儲能理事會的預(yù)測，到 2040 年長時儲能的裝機(jī)功率將 達(dá)到 1500~2500GW。釩電池作為大規(guī)模長時儲能的優(yōu)選路徑之一，有望在儲能邁向規(guī) ?；㈤L時化的趨勢中充分受益。

4.2 事故頻發(fā)催化安全標(biāo)準(zhǔn)提升，峰谷電價政策提升盈利空間

近年來隨著電化學(xué)儲能規(guī)模的擴(kuò)大，其面臨的安全問題也日益嚴(yán)峻。從“4·16”北 京大紅門儲能電站爆炸、美國最大儲能電站起火到特斯拉 Megapack 儲能系統(tǒng)爆燃，都 給經(jīng)濟(jì)社會運行造成重大損失。根據(jù) CNESA 不完全統(tǒng)計，從 2011 年到 2022 年全球共 發(fā)生儲能事故 70 多起，其中 2022 年發(fā)生 17 起以上儲能安全事故（不含戶儲）。、到從 電池類型上看，2020 年之前公開披露的儲能電站起火事故中，80%為三元鋰電池，近年 來磷酸鐵鋰的事故比例也在增加。

政策趨勢下，在大規(guī)模長時儲能領(lǐng)域，全釩液流電池替代鋰電池是大趨勢。2022 年 6 月，國家能源局綜合司發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2022 年版）（征 求意見稿）》，在防止電化學(xué)儲能電站火災(zāi)事故章節(jié)中提到“中大型電化學(xué)儲能電站不得 選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池；選用梯次利用動力電池時， 應(yīng)進(jìn)行一致性篩選并結(jié)合溯源數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評估”。釩電池主要使用水基電解液體系，安 全性比較高，不像鋰離子電池容易燃燒起火。鋰電池中磷酸鐵鋰電池雖然相比三元鋰電 池安全性高點，但依然存在安全隱患。與其它電池相比，全釩液流電池電堆和電池單元 儲能系統(tǒng)模塊額定輸出功率大，均勻性好，易于集成和規(guī)模放大，非常適合用于中大型 電化學(xué)儲能電站，尤其是在我國政策方向和資源稟賦下。

分時電價政策提升儲能盈利空間，釩電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程有望加快。自 2021 年國家發(fā) 改委發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步完善分時電價機(jī)制的通知》以來，各地分時電價陸續(xù)進(jìn)行改革， 不斷擴(kuò)大的峰谷價差、靈活多層次的峰谷時段設(shè)置，拓展了用戶側(cè)儲能的盈利空間。根 據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的測算，峰谷價差較大的廣東省、海南省、浙江省的儲能項目投 資回報期均在 6 年以下，遠(yuǎn)低于電源側(cè)和電網(wǎng)側(cè)大多數(shù) 10 年以上的投資回報周期。2022 年底，多地更新分時電價政策，共同特點是持續(xù)拉大谷峰比，以山東省為例，2023 年 1 月峰谷價差為 0.926 元/kWh，高于 2022 年的均價 0.739 元/kWh。預(yù)計 2023 年持續(xù)拉 大峰谷比將成為發(fā)展趨勢，這將為對成本敏感性較高的釩電池儲能拓展更大的盈利空間。

4.3 釩電池尚處于商業(yè)化早期，產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢環(huán)節(jié)有望率先收益

目前釩電池產(chǎn)業(yè)處在商業(yè)化早期，市場需求未打開，相關(guān)企業(yè)分為三類：上游釩礦、 中游原材料商和電池集成商。上游企業(yè)中，自有釩礦資源的企業(yè)擁有比較高的資源壁壘， 參考鋰電池行業(yè)競爭格局，隨著釩電池產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)，釩價有望進(jìn)一步上漲，自有釩礦 資源的企業(yè)有望率先收益。中游企業(yè)中，電解液廠商多為釩資源企業(yè)向下游產(chǎn)業(yè)鏈延伸 或者電池集成商向上游一體化布局；由于隔膜材料是釩電池組件中成本僅次于電解液的 部分，且商品化的 Nafion 隔膜價格昂貴，被國外高度壟斷，有望打破國外壟斷的企業(yè)有 望充分收益。下游企業(yè)中，由于現(xiàn)階段釩電池初裝成本較高、市場處在推廣期，利潤承 壓，且釩電堆的技術(shù)壁壘較高，擁有深厚技術(shù)積累的行業(yè)龍頭企業(yè)有望保持長期優(yōu)勢。

審核編輯 ：李倩