釩電池能否和鋰電池、燃料電池、鈉電池并肩起舞？

本文系基于公開(kāi)資料撰寫(xiě)，僅作為信息交流之用，不構(gòu)成任何投資建議。

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(duì)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(guò)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(méi)怎么聽(tīng)到過(guò)釩電池的消息，更不確定A股有沒(méi)有純正標(biāo)的；二來(lái)，“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(lái)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(wèn)問(wèn)門(mén)捷列夫是怎么想的。”

一直以來(lái)，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)?；慨a(chǎn)；特斯拉4680電池要來(lái)了、麒麟電池明年要上量；寧德時(shí)代發(fā)布鈉離子電池。對(duì)于這陌生的釩電池，姑且算他是“黑科技”吧，等這波熱度過(guò)去就好了。

其實(shí)不然，自19世紀(jì)60年代后期開(kāi)始的第二次工業(yè)革命將人類帶進(jìn)電氣時(shí)代以來(lái)，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(kāi)篇，將攜手“氫、鋰、鈉”，認(rèn)識(shí)釩電池的前世、今生和未來(lái)。

01釩電池是什么來(lái)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(zhǎng)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(guò)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。可以想象成正負(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(kāi)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(guò)隔膜分開(kāi)，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(guò)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(lái)回奔跑，即完成了充放電的過(guò)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(mén)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(guò)程。

圖全釩液流電池工作原理示意圖；資料來(lái)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?jiǎn)为?dú)存放在外部的儲(chǔ)罐中，另外由于電解液是無(wú)法單獨(dú)流向電堆的，需要通過(guò)外部的泵和管路輸送內(nèi)部。

所以肉眼可見(jiàn)，釩電池就是個(gè)大塊頭。舉個(gè)不是特別恰當(dāng)?shù)睦樱绻囯姵厥鞘謾C(jī)，那么釩電池就是座機(jī)。

常見(jiàn)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(chē)的油箱，電堆就是發(fā)動(dòng)機(jī)，儲(chǔ)罐中的電解液通過(guò)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(kāi)來(lái)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(shuō)，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(chē)的設(shè)計(jì)？你想多拉乘客，就增加車(chē)廂數(shù)量；你想加大馬力，那就換上大功率的火車(chē)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(wàn)度電。看到這里，是不是覺(jué)得釩電池也并不是“一無(wú)是處”。

圖融科儲(chǔ)能500KW釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)；資料來(lái)源融科儲(chǔ)能官網(wǎng)

3．釩電池的運(yùn)行優(yōu)勢(shì)

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(wú)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(wèn)了，電池運(yùn)行過(guò)程中溫度過(guò)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(guò)程中也會(huì)在產(chǎn)生熱量。不過(guò)釩電池在充放電過(guò)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(guò)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(chē)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(duì)于單個(gè)電池，比如手機(jī)內(nèi)置電池或兩輪電動(dòng)車(chē)，不用過(guò)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(chē)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(guò)程不斷提高電池在出廠時(shí)的一致性。

對(duì)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(zhǎng)

先直接拋出結(jié)論，釩電池很長(zhǎng)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(guò)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(guò)十年。

期間當(dāng)電池使用較長(zhǎng)時(shí)間，其性能下降之后，可以通過(guò)修復(fù)電解液活性來(lái)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(lái)源融科儲(chǔ)能官網(wǎng)