還沒搞懂鋰、氫、鈉，釩又來了

新能源發(fā)展的一大主線就是技術(shù)進(jìn)步。正因?yàn)槿绱?，我們的研究?bào)告，迄今從三元電池、磷酸鐵鋰電池、4680電池，到氫燃料電池，再到鈉離子電池，基本做到了全域覆蓋。鋰、氫、鈉三大類電池玩家已經(jīng)相對清晰：不同類型的電池互為補(bǔ)充，共同推動(dòng)著新能源革命大潮。

不過最近突然冒出了新玩家——釩電池，令不少投資者措手不及。

一是大家此前都沒怎么聽到過釩電池的消息，更不確定A股有沒有純正標(biāo)的;二來，“憑空出現(xiàn)”的釩電池，跟“氫、鋰、鈉”都不是同族元素。新能源真是越來越卷，炒化學(xué)元素周期表都變成了隨機(jī)游走。難怪大家調(diào)侃：“投資新能源還需要問問門捷列夫是怎么想的。”

一直以來，在新能源這條大賽道上，大家的投資視角始終圍繞著“氫、鋰、鈉”：氫燃料電池什么時(shí)候規(guī)模化量產(chǎn);特斯拉4680電池要來了、麒麟電池明年要上量;寧德時(shí)代發(fā)布鈉離子電池。對于這陌生的釩電池，姑且算他是“黑科技”吧，等這波熱度過去就好了。

其實(shí)不然，自19世紀(jì)60年代后期開始的第二次工業(yè)革命將人類帶進(jìn)電氣時(shí)代以來，電力在人類社會(huì)變得不可或缺，而電池技術(shù)的發(fā)展也深度融入到歷史進(jìn)程當(dāng)中。如今進(jìn)入到能源革命時(shí)代，電池技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新更是成為能源轉(zhuǎn)型的勝負(fù)手。

本文作為的新能源系列篇，也是釩電池的開篇，將攜手“氫、鋰、鈉”，認(rèn)識(shí)釩電池的前世、今生和未來。

01

釩電池是什么來路?

1.工作原理

釩電池，全稱為全釩氧化還原液流電池。乍一看這長串的名字，是不是有點(diǎn)懵。別著急，我們按順序一個(gè)個(gè)拆解。

第一，所謂全釩，按照字面意思理解，是因?yàn)殡姵氐恼?fù)極都是釩。作為類比，磷酸鐵鋰電池正極是磷酸鐵鋰，負(fù)極是石墨;鉛酸電池的正極是二氧化鉛，負(fù)極為鉛。

第二，氧化還原，這點(diǎn)大家好理解，即電池的基本原理。氧化還原反應(yīng)的過程有電子得失，電子的移動(dòng)就形成了電流。

第三，之所以叫液流電池，是因?yàn)檎?、?fù)極均為液體?？梢韵胂蟪烧?fù)極和電解液“合體”了，電池能量直接存儲(chǔ)在液態(tài)的電解質(zhì)中。當(dāng)然，有“合”就有“分”，釩電池的電解液和電堆是分開的。

為了方便理解，我們回顧下鋰電池。鋰電池的正負(fù)極之間是充滿電解液，通過隔膜分開，電池能量主要儲(chǔ)存在固體的電極材料中。這也是釩電池和鋰電池最大的區(qū)別。

接著再看釩電池的工作過程。我們所熟悉的“搖椅式”鋰電池的工作原理是鋰離子在搖椅的兩端(正極和負(fù)極)來回奔跑，即完成了充放電的過程。而釩電池并不“存在”正負(fù)極，不需要跑遠(yuǎn)了，只用在自家門前跑——正負(fù)極電解液各自按照既定路線流向電堆即完成充放電的過程。

圖：全釩液流電池工作原理示意圖;資料來源：百度，錦緞研究院整理繪制

2.釩電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

因?yàn)殁C電池的電解液和電堆是相互獨(dú)立的，電解液單獨(dú)存放在外部的儲(chǔ)罐中，另外由于電解液是無法單獨(dú)流向電堆的，需要通過外部的泵和管路輸送內(nèi)部。

所以肉眼可見，釩電池就是個(gè)大塊頭。舉個(gè)不是特別恰當(dāng)?shù)睦?，如果鋰電池是手機(jī)，那么釩電池就是座機(jī)。

常見的釩電池主要由兩個(gè)裝電解液的儲(chǔ)罐、電堆、循環(huán)泵和管路組成。如果把儲(chǔ)罐比作汽車的油箱，電堆就是發(fā)動(dòng)機(jī)，儲(chǔ)罐中的電解液通過循環(huán)泵不斷輸送到電堆內(nèi)，電堆則負(fù)責(zé)充放電。

釩電池的另一大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，可以按需組合、定制。你不同糾結(jié)大杯、中杯，還是超大杯。

展開來講，釩電池的功率單元和容量單元是相互獨(dú)立的“解耦設(shè)計(jì)”，儲(chǔ)罐中的電解質(zhì)決定電池容量，電堆的大小和數(shù)量決定電池的輸出功率。也就是說，要增加電池容量，就相應(yīng)增加電解液儲(chǔ)罐數(shù)量;要提高輸出功率，只要增加電堆的數(shù)量就可實(shí)現(xiàn)。是不是很像火車的設(shè)計(jì)?你想多拉乘客，就增加車廂數(shù)量;你想加大馬力，那就換上大功率的火車頭。

以融科儲(chǔ)能的釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，功率250kW的釩電池系統(tǒng)由功率集裝箱(20尺)、2個(gè)外置儲(chǔ)罐、電池管理系統(tǒng)及管路等輔件構(gòu)成。如果需要500kW的釩電池系統(tǒng)怎么辦呢?將2個(gè)功率集裝箱串聯(lián)后，增加2個(gè)外置儲(chǔ)罐，接入一臺(tái)500kW變流器，即可實(shí)現(xiàn)。

以此類推，釩電池可以組合成更大規(guī)模電池組，其輸出功率可達(dá)數(shù)百兆瓦，可以存放數(shù)十萬度電。看到這里，是不是覺得釩電池也并不是“一無是處”。

圖：融科儲(chǔ)能500KW釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng);資料來源：融科儲(chǔ)能官網(wǎng)

3.釩電池的運(yùn)行優(yōu)勢

1)安全性好

釩電池使用的正、負(fù)極電解液均為極不易燃的無機(jī)水溶液(后面章節(jié)會(huì)重點(diǎn)介紹)，有多安全呢?即使正、負(fù)極電解液意外發(fā)生混合也不用擔(dān)心。大家都是釩離子家族(正極電解液為5價(jià)釩和4價(jià)釩，負(fù)極電解液為3價(jià)釩和2價(jià)釩)，不可能“大打出手”的。

那有人要問了，電池運(yùn)行過程中溫度過高怎么辦?確實(shí)，和鋰電池、鈉離子電池等一樣，釩電池在充放電過程中也會(huì)在產(chǎn)生熱量。不過釩電池在充放電過程中，電解液是循環(huán)流動(dòng)的，電堆內(nèi)部產(chǎn)生的熱量很容易就可以通過輸送管路上的熱交換器散熱。

正因如此，釩電池的熱管理系統(tǒng)成本也低，設(shè)計(jì)和維護(hù)方便。一般采取直冷或空冷的方式進(jìn)行熱管理，類似汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的冷卻系統(tǒng)。當(dāng)電解液溫度上升到一定程度時(shí)，冷卻系統(tǒng)即啟動(dòng)，從而保持電池系統(tǒng)運(yùn)行在最高效的溫度區(qū)間。

2)電池一致性好

對于單個(gè)電池，比如手機(jī)內(nèi)置電池或兩輪電動(dòng)車，不用過多考慮電池均一性，但如果是大量電池串聯(lián)組成的電池包系統(tǒng)，電池一致性可就成為重要指標(biāo)。

一般情況，一輛使用方形電池包的電動(dòng)車上有一百多個(gè)電芯，而特斯拉用的圓柱電池更是有上千個(gè)電芯。隨著電池充放電的運(yùn)行，單個(gè)電池的內(nèi)阻、荷電狀態(tài)、溫度等均會(huì)發(fā)生不同程度的變化，導(dǎo)致差異性逐漸變大，使得電池系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)增大。所以鋰電池企業(yè)也在制造過程不斷提高電池在出廠時(shí)的一致性。

對于釩電池，電解質(zhì)溶液始終是循環(huán)流動(dòng)的，正負(fù)極電解液從各自的儲(chǔ)罐容器中抽出，最后進(jìn)入到電堆時(shí)自然具有相同的狀態(tài)，天生就具備不錯(cuò)的一致性。

3)使用壽命長

先直接拋出結(jié)論，釩電池很長壽。具體是怎么實(shí)現(xiàn)的呢?因?yàn)殁C電池的電解液在充放電時(shí)不像其它多數(shù)電池一樣發(fā)生物相變化(注：不會(huì)生成新的物質(zhì)，始終都是釩離子，只不過是不同價(jià)態(tài))，電池容量的損耗就很少，所以釩電池的壽命往往能超過十年。

期間當(dāng)電池使用較長時(shí)間，其性能下降之后，可以通過修復(fù)電解液活性來恢復(fù)一定的性能。如果最后釩電池系統(tǒng)壽命到期，電解液還是不會(huì)浪費(fèi)，既可以應(yīng)用到新的電池系統(tǒng)中，也可以作為釩資源進(jìn)行提純加工，最終實(shí)現(xiàn)電解液的循環(huán)利用。

圖：釩電池電解液的綜合利用示意圖;資料來源：融科儲(chǔ)能官網(wǎng)

02

已有“氫、鋰、鈉”，釩電池作何之用?

行文至此，大家已經(jīng)熟悉釩電池的特點(diǎn)——安全性高、循環(huán)壽命長、容易擴(kuò)容、對環(huán)境友好?？稍谖覀?nèi)粘Ｉ町?dāng)中，卻幾乎見不到釩電池的身影。

究其根本，釩電池短板同樣也明顯——體積大、能量密度低，還有成本高。

尤其是電解液和電堆分離設(shè)計(jì)導(dǎo)致的占地面積大確實(shí)是硬傷。光論這一點(diǎn)，顯然跟我們的日常使用場景格格不入：手機(jī)、家用電器等對電池的要求是體積越小越好，就連電動(dòng)大巴車的底盤里也巴不得能多裝進(jìn)一塊電池。

為什么能量密度低呢?其實(shí)這是由“出身”決定的。釩電池的電解液是儲(chǔ)存在罐子中，占地空間已經(jīng)不小了，同時(shí)還需要用泵來維持電解液的流動(dòng)，這也造成不少的能量損耗，目前釩電池的能量轉(zhuǎn)化效率為70-75%，大幅低于鋰電池(90%)。同時(shí)，釩離子的溶解度較低，正負(fù)極的電解液無法達(dá)到理想中的高濃度。

最終，以上因素疊加導(dǎo)致釩電池的能量密度低的有點(diǎn)上不了臺(tái)面，僅為12-40Wh/kg。這是什么概念?比因?yàn)楸恐囟柺茉嵅〉你U酸電池的能量密度還低。

如果和鋰電池相比，要存一樣的電，釩電池的體積一般要大5倍以上。所以，我們也很容可以得出結(jié)論：智能手機(jī)、便攜家用電器等消費(fèi)品根本不是釩電池的“菜”。那些想蹭一波熱點(diǎn)，認(rèn)為釩電池要撼動(dòng)鋰電池地位的想法顯然是片面的，畢竟他們壓根就不在同一條跑道上。

接著再來看看成本。釩電池初裝成本較高可以說是釩電池最大的缺點(diǎn)，也是制約行業(yè)發(fā)展的一大痛點(diǎn)。目前釩電池價(jià)格仍然是鋰離子電池的2倍以上，跟成熟的鉛酸電池相比更是沒有價(jià)格優(yōu)勢。

圖：國內(nèi)部分釩電池項(xiàng)目信息及成本計(jì)算;資料來源：北極星儲(chǔ)能網(wǎng)，光大證券　

到這里，想必有不少人看不下去了，既然釩電池體積大、能量密度低的問題基本無解，大部分使用場景被拒之門外。為什么資本市場還要把釩電池拿到臺(tái)面上講，難道真的是爆炒一波?

中國有句名言：尺有所短，寸有所長。相比鋰電池這樣輕便靈活的“移動(dòng)硬盤”，釩電池更像是大容量“硬盤”。釩電池有著大規(guī)模、高安全、長壽命的技術(shù)優(yōu)勢，能夠在大規(guī)模、大容量的場景發(fā)揮比較優(yōu)勢，最典型的應(yīng)用場景就是配套風(fēng)電、光伏的儲(chǔ)能。

對于成本方面，我們的看法是，現(xiàn)階段釩電池確實(shí)是比鋰電池貴不少。但看一個(gè)技術(shù)的前景，也要看它未來的成本下降空間，能否靠技術(shù)改進(jìn)和規(guī)?；瘉眚?qū)動(dòng)?？陀^的講，過去鋰電池也同樣遇到成本高的問題。還有現(xiàn)在鈉離子電池和氫燃料電池也一樣面臨成本高的問題。

圖：寧德時(shí)代動(dòng)力電池成本隨著大規(guī)?；a(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步后快速下降;資料來源：寧德時(shí)代年報(bào)，國泰君安證券

回顧歷史，釩電池技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用起始于上世紀(jì)80年代，早在1988年，澳大利亞新南威爾士大學(xué)就開發(fā)出1kW的釩電池系統(tǒng)?？梢哉f，釩電池是和鋰電池、燃料電池等同一時(shí)代的技術(shù)。不過后來鋰電池在1991年商業(yè)化后憑借能量密度高、體積小的特點(diǎn)率先出圈，之后一路扶搖而上。而釩電池由于應(yīng)用場景受限，一直都比較冷門。

說到底，過去我們一直需要的是更輕便，能量密度更高的電池，壓根沒有多少場景需要大容量電池，所以釩電池的長板毫無用武之地。但是隨著能源革命的進(jìn)行，可再生能源電力的增多，我們對大容量存儲(chǔ)的需求越來越高，釩電池重新回到賽道，是符合客觀規(guī)律的。

和手機(jī)、電動(dòng)車不同，儲(chǔ)能電站對能量密度和占地面積沒有過多的要求。相較而言，儲(chǔ)能電站更看重電池壽命、安全性和使用成本。比如占據(jù)儲(chǔ)能最大份額的抽水蓄能電站，其壽命一般都長達(dá)20年甚至50年以上。在今年6月國家能源局近日發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求(征求意見稿)》中提出，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。

事實(shí)上，最近幾年，釩電池在國內(nèi)受到越來越廣泛的重視。從事釩電池儲(chǔ)能技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的機(jī)構(gòu)逐漸增多，包括：中科院大連化物所、大連融科儲(chǔ)能公司、北京普能、武漢南瑞等。其中，大連化物所和融科儲(chǔ)能公司在基礎(chǔ)研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、技術(shù)應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程方面已經(jīng)走在了世界前列。

也就是說，被掃進(jìn)垃圾堆的釩電池意外搭上了儲(chǔ)能的快車。

今年5月，在遼寧大連，一座超大型的釩電池儲(chǔ)能電站迎來了并網(wǎng)投運(yùn)。該電站為“大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國家示范項(xiàng)目”的一期項(xiàng)目，已經(jīng)投入的716個(gè)灰白色電解液儲(chǔ)罐可儲(chǔ)存400兆瓦時(shí)電量，即40萬度電，可以供應(yīng)近2000個(gè)家庭使用一個(gè)月。目前是全球最大的液流電池儲(chǔ)電站，被稱為“儲(chǔ)能之王”，到二期項(xiàng)目全部投運(yùn)后，儲(chǔ)電能力還能翻一倍，到80萬度電。樂觀點(diǎn)說，釩電池技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入快車道。

圖：釩電池發(fā)展歷程;資料來源：大連融科，北京普能，申萬宏源

話說回來，電池的三個(gè)指標(biāo)：能量密度、安全、壽命，就如經(jīng)濟(jì)學(xué)里的“不可能三角”，世界上很難有絕對完美的電池。所以我們?nèi)f萬不能“撿了西瓜丟芝麻”，而要根據(jù)各個(gè)產(chǎn)品的特性，用其所長，做到物盡其用。

從電池材料資源角度講，有了鋰電池，我們還需要想辦法用好氫燃料電池、鈉離子電池和釩電池。這樣電池企業(yè)也不需要扎堆在一種材料上面，為原材料漲價(jià)而苦惱。據(jù)USGS統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，全球已認(rèn)定符合當(dāng)前采掘和生產(chǎn)要求的釩礦儲(chǔ)量超過2400萬噸，其中，中國釩礦儲(chǔ)量約為950萬，占比39.6%，位居世界第一。跟鈉離子一樣，釩電池也不用擔(dān)心被原材料“卡脖子”。

03

能否和鋰電池、燃料電池、鈉電池并肩起舞?

現(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)已經(jīng)充分認(rèn)可釩電池的大容量存儲(chǔ)能力和安全性。這可以歸功于釩電池的先天優(yōu)勢。但未來要想和鋰電池們一起共舞，還需要后天不懈努力。(其實(shí)同樣具有先天優(yōu)勢的燃料電池和鈉離子電池也是相似的成長邏輯)

接下來，整個(gè)釩電池產(chǎn)業(yè)鏈還要加快速度發(fā)展，在電池關(guān)鍵材料研究與開發(fā)、電堆設(shè)計(jì)與制造、系統(tǒng)集成技術(shù)等方面更進(jìn)一步。

圖：釩電池上游構(gòu)成;資料來源：《釩液流電池電解液研究綜述》，國海證券　　

1.電解液

電解液不僅是釩電池的重要部分也是成本的大頭，占釩電池總成本比例約40%。換言之，電解液成本能否降下來成為釩電池降本的關(guān)鍵。

對于釩資源，我國不僅儲(chǔ)量第一，產(chǎn)量也是全球第一，占比高達(dá)68%，資源可完全自給。這是國內(nèi)發(fā)展釩電池得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。當(dāng)前國內(nèi)的釩資源企業(yè)主要有攀鋼釩鈦、河鋼承鋼、安寧股份、西部礦業(yè)等。其中攀鋼釩鈦也是全球產(chǎn)能規(guī)模最大的企業(yè)。

隨著釩電池需求量的提升，攀鋼釩鈦、河鋼股份等釩資源企業(yè)正積極投向電解液生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將釩資源優(yōu)勢和電池企業(yè)的研發(fā)能力結(jié)合，形成產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應(yīng)，可以加快電解液的產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。

圖：國內(nèi)主要釩資源企業(yè);資料來源：光大證券　　

其次，前文已經(jīng)提到釩電池電解液是可以循環(huán)利用，如果能夠促成制造-使用-回收的產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，進(jìn)一步提高電解液的殘值，那么釩電池全生命周期內(nèi)的成本將大幅降低。同時(shí)，通過開展電解液租賃等商業(yè)模式創(chuàng)新，也可降低釩電池的初始投資成本，如果該模式能夠走通反過來又可以促進(jìn)釩電池的規(guī)模化發(fā)展。

最后，提高釩電池的能量密度也就意味著降低了電池成本。由于釩離子在電解液中的溶解度本身就不高，極大制約了電池的能量密度，而且溫度過高，釩離子的溶解度也會(huì)受到影響。一直以來，釩電池企業(yè)不斷研究，致力于提高電解液中釩離子的濃度，并同步改善高溫下穩(wěn)定性。目前電解液正從傳統(tǒng)硫酸基質(zhì)向鹽酸基質(zhì)等新配方升級(jí)迭代，其釩離子濃度和工作溫區(qū)都有顯著改善。

可以預(yù)見的是，隨著技術(shù)進(jìn)步和裝機(jī)量的增長，以及電解液商業(yè)模式的完善，釩電池的成本有望更快進(jìn)入“平價(jià)區(qū)間”。

圖：釩電池成本構(gòu)成;資料來源：IRENA，錦緞研究院整理　

2.離子交換膜

電堆是成本占比僅次于電解液的部件，占總成本比例約35%。其中，離子交換膜是電堆內(nèi)部的核心部件，不僅直接影響到電池性能，也是決定電堆成本能否快速下降的關(guān)鍵材料。

不過目前離子交換膜的國產(chǎn)化率還比較低，一直以來，國內(nèi)釩電池企業(yè)主要使用的是美國杜邦生產(chǎn)的全氟烴膜(Nafion)。(關(guān)鍵性的熔融擠出壓延成型技術(shù)長期為國外企業(yè)壟斷)

然而，雖然Nafion膜具備優(yōu)異的性能，是電堆的首選材料，但是價(jià)格過于昂貴?？鋸堻c(diǎn)說，Nafion膜已經(jīng)制約著釩電池的發(fā)展。因此，實(shí)現(xiàn)杜邦Nafion膜的“平替”，完成國產(chǎn)化是降低釩電池成本、推動(dòng)規(guī)模化應(yīng)用的有效策略。

當(dāng)前國內(nèi)的全氟烴膜生產(chǎn)企業(yè)主要有東岳集團(tuán)和江蘇科潤，已經(jīng)在國產(chǎn)替代方面已經(jīng)取得一定成果。與此同時(shí)，大連化物所的非氟多孔離子傳導(dǎo)膜的研究上也取得突破性進(jìn)展，量產(chǎn)之后可以有效降低電堆成本。(限于篇幅，其他材料和系統(tǒng)等不做展開)

化學(xué)的世界充滿無限可能，多種電池技術(shù)已經(jīng)到了百家爭鳴的時(shí)代。站在能源革命的視角，不同電池技術(shù)沒有“顛覆”、“撼動(dòng)”一說，有的只是“互補(bǔ)”、“共生”。希望鋰電池、燃料電池、鈉電池、釩電池“共舞”的場景早日到來。