钒电池：储能发展为其带来新机遇！

1、钒液流电池以及工作原理

钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(VanadiumRedoxBattery，VRB)，为液流电池的一种，是一种基于金属钒元素的氧化还原的电池系统，其电解液是不同价态的钒离子的硫酸电解液。

根据电化学反应中活性物质的不同，液流电池可分为钒液流电池、锌基液流电池、铁铬液流电池等。

其中全钒液流电池，寿命长、规模大、安全可靠的优势尤为突出，成为规模储能的首选技术，在调峰电源系统、大规模风光电系统储能、应急电源系统等领域具有广阔的应用前景。

液流电池工作原理为通过外接泵与交换膜实现离子电化学反应。

全钒液流电池是一种二次充电电池。利用VO2+/VO2+、V2+/V3+

两对氧化还原电堆的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中。

通过外接的泵，将电解液运输至电池堆内的正极室和负极室，使其在不同的储液罐和半液态的闭合回路中循环流动，并采用离子交换膜作为电池组的隔膜，电解质的溶液流过电极表面产生了电化学反应，从而实现钒电池的充放电过程。

充电过程：电池正极（阳极）发生氧化反应：VO2++H2O→VO2++2H++e-；负极（阴极）发生还原反应：V3++e-→V2+；总反应式为VO2++H2O+V3+=VO2++2H++V2+。

电子经外部电路由正极流向负极，氢离子经交换膜由正极室进入负极室，外部电流方向由负极至正极。

放电过程：电池正极（阴极）发生还原反应：VO2++2H++e-→VO2++H2O；负极（阳极）发生氧化反应：V2+→V3++e-；总反应式为VO2++2H++V2+=VO2++H2O+V3+。

电子经外部电路由负极流向正极，氢离子经交换膜由负极室进入正极室，外部电流方向电流方向由正极至负极。

2、钒液流电池的优缺点

注：海通介绍，钠电池的平均能量密度在90-150Wh/Kg，目前的寿命还比较偏低的，大概是在1000次，号称是3000次到不了，实际真正的寿命是在1000多次。（磷酸铁锂循环寿命是3000—4500）。

钒电池主要优点：

(1)大功率：通过增加单片机电池的数量和电极面积，可以提高钒电池的功率。美国商业示范运行的钒电池功率已达6兆瓦。

(2)大容量、储能容量可控：通过任意增加电解液的体积，可以任意增加钒电池的功率，达到超过GWH；通过增加电解液的浓度，可以成倍增加钒电池的功率。

(3)高效：由于钒电池电极的催化活性高，正负活性物质分别储存在正负电解液储槽中，避免了正负活性物质的自放电消耗，充放电能量转换钒电池的效率高达75%以上，远高于铅酸电池的45%。

(4)使用寿命长：由于钒电池正负活性物质分别只存在于正极和负极电解液中，在充放电过程中其他电池的相位没有变化，可以在不损坏电池的情况下进行深放电，电池使用寿命长。加拿大VRB动力系统商业示范中运行时间最长的钒电池组件已正常运行9年多，充放电循环寿命超过18000次，远高于固定铅酸电池的1000次。

(5)响应速度快：钒电池组充满电解液瞬间启动。运行过程中，充放电状态切换仅需0.02秒，响应速度为1毫秒。

(6)瞬间充电：通过改变电解液可以实现钒电池的瞬间充电。

(7)安全性高：钒电池无爆炸、火灾隐患，即使正负电解液混合，也无危险，但电解液温度略有上升。

(8)制造和安置便利：波流电池选址自由度大，系统可全自动封闭运行，无污染，维护简单，操作成本低。

(9)深充深放：系统深充深放不会对电池性能造成影响，系统放电深度(DOD)≥90%。在快速、大电流密度下充放电，不会对电池造成损伤。

(10)环境友好：电解液均为液体，能无限次循环使用，且电解液可回收利用，不会对环境造成污染；电堆材料中电极采用炭/石墨毡，双极板大多采用石墨或碳材料，报废后不会对环境造成污染。其他材料多为高分子材料，可回收利用。

主要缺点：

(1)比能量低：体积庞大，钒电池的质量比能量是锂电或钠硫电池的1/3~1/2，将使电池沉重、庞大，这也直接导致了钒电池不适宜用于电动汽车，只能用在静态储能装置上。

(2)对环境温度要求苛刻：钒电池正极液中的五价钒在静置或温度高于45℃的情况下易析出五氧化二钒沉淀，析出的沉淀堵塞流道，包覆碳毡纤维，恶化电堆性能，直至电堆报废，而电堆在长时间运行过程中电解液温度很容易超过45℃。

另一方面，温度不能低于电解液的冰点，否则电解液凝固将使电池不能运转。因此一般的运行温度都要求在0~45℃之间。

(3)正极极板易报废：石墨极板要被正极液刻蚀，如果用户操作得当，石墨板能使用两年，如果用户操作不当，一次充电就能让石墨板完全刻蚀，电堆只能报废。在正常使用情况下，每隔两个月就要由专业人士进行一次维护，这种高频次的维护费钱、费力。

(4)比能量进一步提高受限：受不同钒离子在10℃~40℃范围内溶解度的限制，全钒液流电池总钒浓度被限制在2M以内，制约全钒液流储能系统比能量的提高。

(4)成本过高：一个5kw的电堆目前的成本大概在4万~5万之间，这为钒电池的推广普及带来重要的障碍。

总结

钒电池存在体积大，不易搬运的缺点，但优点也十分突出，主要有使用寿命长，可长达20年；电解液可循环使用；电池容量可扩充性强（可以通过增加电解液储存器体积增加容量），可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站；不易燃烧，安全性好；可实现100%放电，而不损害电池。综上，钒电池十分适合作为储能电池，尤其是在光伏、风电等新能源领域。

3、目前主要问题是成本

根据《储能产业研究白 皮 书》统计，全钒液流电池(钒电池)每千瓦投资成本在4500-6000元，而抽水储能、锂电池每千瓦成本在750~1200元、2500~-4500元，高成本使得钒电池在储能领域的应用并不广泛。

根据统计数据，2020年我国储能方式中，抽水储能占比89.3%，电化学储能占比9.2%，电化学储能中，钒电池储能占比仅0.65%。

成本如何下降？

全钒液流电池储能系统由电堆、电解液、管路系统、储能变流器等组成，以10kW/40kWh钒电池储能系统为例，假设钒电池储能系统综合成本为4500元/KWh，钒电解液成本占总成本的41%（1845元/kwh），电堆成本占比37%（1665元/kwh），其余为建安等成本。

钒电解液主要成本为五氧化二钒，电解液成本主要受到钒价的影响，而电堆的成本主要来自于隔膜等材料。

目前，电堆成本的下降已经逐步展开：大连化物所通过开发可焊接多孔离子传导膜，使得电堆膜材料的使用面积下降30%、电堆的总成本下降40%，假设电解液的成本不变，目前钒电池成本下沿已下降至2844元/kwh。随着技术的进步，钒电池电堆成本仍将持续下降。

钒电池电解液的主要由五氧化二钒和硫酸组成，而钒作为相对稀缺的金属，价格较高，钒电池电解液降成本的难度较大。

但由于钒电解液的回收利用率较高，因此通过租赁、或者到期出售电解液的模式新建钒电池储能可以有效解决电解液成本较高的问题。

假设钒电池电解液回收率达到90%，则全生命周期看，钒电池电解液成本仅为初期投入成本的10%，钒电池建设成本将大幅降低。

4、全生命周期看

以襄阳500MWh全钒液流电池储能项目与福建省莆田市500MWh锂电池储能项目作为对比，不考虑电解液的回收，全钒液流电池全生命周期成本在0.72元/kwh，（浙商数据是0.8—1.3元）而锂电池全生命周期成本在0.8元/kwh；

若考虑电解液的回收，假设电解液成本占比41%且能够80%回收，则钒电池的全生命周期成本为0.48元。

随着钒电池技术的进步及规模化生产，我们认为钒电池电堆成本将持续下降，未来钒电池将会成本储能的最佳选择，推动储能达到经济性。

5、相关政策以及行业资讯

去年7月《发改委、能源局发布关于加快推动新型储能发展的指导意见》中提出，到2025年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变。装机规模达3000万千瓦以上。

意见还指出，坚持储能技术多元化，推动锂离子电池等相对成熟新型储能技术成本持续下降和商业化规模应用，实现压缩空气、液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期，加快飞轮储能、钠离子电池等技术开展规模化试验示范，以需求为导向，探索开展储氢、储热及其他创新储能技术的研究和示范应用。

美国传统电池储能企业Stryten转向全钒液流电池。2022年1月19日总部位于美国佐治亚州的储能解决方案提供商StrytenEnergyLLC宣布收购Storion的资产，Storion是一家技术创新型企业，旨在将先进的全钒氧化还原液流电池（VRFB）技术带入商业市场。Storion的VRFB技术非常适合需要四小时以上存储容量的应用，以便按需部署来自太阳能和风能等可再生清洁能源。这些应用包括公用事业规模的储能、微电网和军事基地等。

Stryten传统上是一家制造铅电池和锂电池的企业，公司拥有2,500名员工。Stryten表示，此次收购除了获得Storion的新技术、扩展公司的产品线之外，它还标志着市场的转变。Storion先进的全钒氧化还原液流电池技术将为加速电网全面脱碳所需的长时储能提供了可持续的解决方案，这是实现拜登总统到2035年电网净零碳排放目标的关键。

6、钒电池应用项目规划以及市场空间

钒电池2019年装机规模为20MW，2020年装机规模达100MW（兆瓦），钒电池装机量增长迅速。

GW=1000MW

MW=1000KW

KW=1000W

2025年中国电化学储能市场规模测算

2025年中国电化学储能新增45GWh，对应市场规模499亿元。

预计2021-2025年中国新增电化学储能5/11/21/31/45GWh，CAGR=70%，系统单价1.5/1.4/1.3/1.2/1.1元/Wh，市场规模74/156/272/366/499亿元，CAGR=57%。

2025年中国钒液流电池储能市场规模测算

2025年中国钒液流电池储能新增14.2GWh，装机功率3.5GW，渗透率20%，对应市场规模297亿元。

预计2021-2025年中国新增钒电池储能0.7/2.1/4.9/8.4/14.2GWh，CAGR=113%。

预计钒电池规模应用后，单价平均每年降低10%，2021-2025年单价为3.2/2.9/2.6/2.3/2.1元/Wh，市场规模23/61/127/195/297亿元，CAGR=92%。

2025年电化学储能累计装机功率达49.2GW，其中钒电池累计装机7.7GW，累计渗透率达16%。

依据浙商证券电化学储能市场需求测算，电化学储能装机预期高于政策要求，有望提前实现新型储能技术商业化目标及碳中和目标。

2025年新增钒电池装机渗透率20%，市场规模297亿元。

若钒电池价格降幅不及预期，以2.31元/Wh，15%渗透率计算，市场规模约254亿元；

若钒电池单价降至1.89元/Wh，预期渗透率达25%，市场规模约323亿元。

7、钒资源缺口隐现

目前1GW钒电池用五氧化二钒的量为1万吨左右，假设钒电池在储能领域的渗透率达到15%，则2025年新增钒电池装机量为4.5GW，由此带来的五氧化二钒新增需求量为4.5万吨，相当于2020年钒电池市场规模的9倍，钒资源供给缺口隐现。

注:此为国泰君安测算，按照浙商测算新增需求量为3.5万吨，相当于2020年的7倍。

8、相关公司

目前钒电池市场体量较小，龙头格局未显，产业仍处于发展初期，国内钒电池生产企业主要为北京普能、大连融科、武汉南瑞、上海电气及伟力得。

国网英大(600517)

钒电池业务由其旗下全资子公司武汉南瑞负责。目前武汉南瑞已全面掌握钒电池改性选型技术，具备钒电池本体设计、材料研制、系统集成能力，成功研发高功率钒电池电堆和250kW/500kWh储能系统，申请发明、实用新型专利共70项，授权40余项。目前武汉南瑞钒电池相关项目以国网内部应用为主，暂无对外应用计划。

上海电气(600835)

在储能领域，上海电气分阶段、分领域布局锂电池、液流电池、燃料电池和退役电池系统四个领域，逐步完善三电系统。

钒电池业务由其子公司上海电气储能公司负责，相关技术由上海电气中央研究院提供。目前上海电气已推出兆瓦级全钒液流电池，可实现分布式、集中式全覆盖调峰调频。由上海电气储能公司设计研发的国电投集团黄河上游水电公司液流电池储能项目、常德10kW/60kWh液流储能系统等钒电池储能项目已处在项目交付验收阶段，即将实现并网。汕头智慧能源液流电池储能项目1MW/1MWh全钒液流电池储能电站已于2021年上半年顺利通过验收。

据上海电气2021年半年报，上海电气新增储能设备订单人民币28.8亿元，同比增长145.0%；报告期末，公司在手储能设备订单人民币30.8亿元，比上年年末增长78.7%。

攀钢钒钛（000629）

攀西地区是中国乃至世界矿产资源最富集的地区之一，是我国第二大铁矿区，蕴藏着上百亿吨的钒钛磁铁矿资源，钒资源储量占中国的52%，钛资源储量占中国的95%。

攀钢钒钛的大股东攀钢集团在攀西地区拥有攀枝花、白马两大矿区，钒钛磁铁矿储量约13.04亿吨，可采量约6.13亿吨。具备年开采钒钛磁铁矿3350万吨，年产铁精矿1200万吨、钛精矿90万吨的能力，在钒钛磁铁矿资源综合利用方面已处于世界领先水平。

公司钒制品产能达到4.2万吨，市占率全球第一。

公司拥有以五氧化二钒、高钒铁、钒氮合金、钒铝合金为代表的钒系列产品，以钛白粉、钛渣等为代表的钛系列产品，具备年经营钛精矿100万吨和年产钒制品（以V2O5计）4.2万吨（攀钢钒钛2.2万吨，托管企业西昌钢钒2万吨）、钛白粉23.5万吨的综合生产能力，是世界主要的钒制品供应商，中国主要的钛原料供应商。

2020年公司生产钒制品2.40万吨。同时，攀钢钒钛托管大股东名下的西昌钢钒的钒业务，对其钒产品实行买 断式销售，并筹划收购西昌钢钒子公司西昌钒制品，以减少同业竞争。