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問世間釩為何物
2021年7 月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出堅(jiān)持儲(chǔ)能技術(shù)多元化目標(biāo)。其中針對(duì)液流電池原文是：“實(shí)現(xiàn)壓縮空氣、液流電池等長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期”。
根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)中活性物質(zhì)的不同，液流電池可分為釩液流電池、鋅基液流電池、鐵鉻液流電池等。其中全釩液流電池是液流電池中目前技術(shù)開發(fā)最成熟的，也是目前液流電池中的主導(dǎo)產(chǎn)品。
釩是一種堅(jiān)硬的銀灰色金屬元素。它是一種延展性過渡金屬，具有天然的耐腐蝕性和對(duì)堿、 酸和鹽水的穩(wěn)定性。
釩電池是一種基于金屬釩元素的氧化還原的電池系統(tǒng)，其電解液是不同價(jià)態(tài)的釩離子的硫酸電解液。
釩電池工作原理。
我國的釩電池研制開始于1995年，當(dāng)時(shí)中國工程物理研究院電子工程研究所先后研制成功了500W、1000W的釩電池樣機(jī)，成功開發(fā)了4價(jià)釩溶液制備、導(dǎo)電塑料成型及批量生產(chǎn)、電池組裝配和調(diào)試等技術(shù)。
2006年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制成功10kW試驗(yàn)電堆，并通過國家科技部驗(yàn)收，標(biāo)志著中國的全釩液流電池系統(tǒng)取得階段性成功。
2011年《“十二五”釩鈦資源綜合利用及產(chǎn)業(yè)基地規(guī)劃》于年中發(fā)布，釩資源新的利用方向-釩電池也開始逐漸為市場所關(guān)注。
2015年12月18日，國內(nèi)最大釩鈦生產(chǎn)商攀鋼參與合作研發(fā)的千瓦級(jí)釩電池產(chǎn)品已批量生產(chǎn)，兆瓦級(jí)產(chǎn)品處于商業(yè)化示范階段。
釩電池的優(yōu)勢與劣勢
液流電池與其他儲(chǔ)能形式的對(duì)比表
釩電池相對(duì)其他電化學(xué)儲(chǔ)能形式，具有極為突出的優(yōu)勢：
安全性高：釩電池?zé)o爆炸、火災(zāi)隱患。與目前儲(chǔ)能電站的主流電池——使用非水電解液的鋰電池不同，由于釩電池電解質(zhì)離子存在于水溶液中。此外，其所有的部件基本上都浸泡在溶液當(dāng)中，散熱得到了溶液的支持，發(fā)生過熱、爆炸的可能性大大降低，不會(huì)存在類似鋰電池?zé)崾Э剡@一問題，安全性能讓其在電池領(lǐng)域脫穎而出。
模塊化、規(guī)模大：釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)最顯著優(yōu)勢是模塊化。如兆瓦級(jí)系統(tǒng)由多個(gè)250kW標(biāo)準(zhǔn)模塊組成。即使一套系統(tǒng)需要較高功率或者較高容量，電堆進(jìn)行簡單疊加或者添加電解液就可以應(yīng)對(duì)。正因?yàn)槿绱?，釩電池可以實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模，即儲(chǔ)能上限高且容易調(diào)整。在調(diào)峰電源系統(tǒng)、大規(guī)模風(fēng)光電系統(tǒng)儲(chǔ)能、應(yīng)急電源系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
釩電池與其他液流電池的對(duì)比表
效率高：由于釩電池電極的催化活性高，正負(fù)活性物質(zhì)分別儲(chǔ)存在正負(fù)電解液儲(chǔ)槽中，避免了正負(fù)活性物質(zhì)的自放電消耗，滿充后可長期保持，極低的自放電率，自放電幾乎可以忽略不計(jì)。充放電能量轉(zhuǎn)換釩電池的效率高達(dá)75%以上。且響應(yīng)速度極快，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。
使用周期長、壽命長：由于釩電池正負(fù)活性物質(zhì)分別只存在于正極和負(fù)極電解液中，在充放電過程中不存在復(fù)雜的固相反應(yīng)、因此電池壽命長。能耐受大電流充放，可以在不損壞電池的情況下進(jìn)行深放電，循環(huán)次數(shù)>13000次以上，電池使用壽命可達(dá)15-20年。
我國釩儲(chǔ)量高：更重要的是，我國的釩礦產(chǎn)量世界最多。全球釩礦儲(chǔ)量主要集中在中國、俄羅斯、南非，中國儲(chǔ)量占全球的43%。根據(jù)USGS的數(shù)據(jù)，全球釩礦儲(chǔ)量共計(jì)2200萬噸，其中中國儲(chǔ)量950萬噸。俄羅斯和南非占比分別達(dá)到23%和16%。產(chǎn)量方面，中國也是全球占比最高，達(dá)到62%。2020年中國礦產(chǎn)釩5.3萬噸，而全球這一數(shù)字是8.6萬噸。
國內(nèi)釩資源主要是以釩鈦磁鐵礦共伴生為主，主要分布區(qū)域?yàn)樗拇ㄅ手?、河北承德、遼寧朝陽。
在釩資源方面還有一個(gè)優(yōu)勢是，其他行業(yè)用量小。工業(yè)上釩被用作合金的添加元素和化工原材料，用量都比較小，不像鋰資源那么搶手，多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域爭搶鋰，留給儲(chǔ)能領(lǐng)域的鋰資源比重難以提升。
不過因?yàn)閲覍?duì)釩礦山的環(huán)保要求越來越高，目前釩礦供應(yīng)處于緊張局勢。
另一方面，釩電池也存在明顯的缺點(diǎn)∶
體積、質(zhì)量龐大：因?yàn)槭苤朴陔娊庖褐须x子溶解度上限，釩電池比能量密度低，且技術(shù)難以突破。同樣能量的釩電池體積可達(dá)鋰電池的3-5倍，質(zhì)量達(dá)2-3倍。因此，釩電池僅能適用于靜態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)，難以應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。
不過，也有研究機(jī)構(gòu)在在嘗試將釩電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域。2016年，湖北省科技廳召開國家國際科技合作重點(diǎn)專項(xiàng)“高性能納米線釩系鋰離子動(dòng)力電池聯(lián)合研發(fā)”項(xiàng)目驗(yàn)收會(huì)。該項(xiàng)目面向清潔高效能源的可持續(xù)發(fā)展，通過與哈佛大學(xué)開展合作，建成了單次百公斤級(jí)納米線釩系正極材料中試線和自動(dòng)化電子生產(chǎn)線，完成了納米線釩系動(dòng)力電池的裝配和裝車實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了電動(dòng)汽車示范運(yùn)行。
環(huán)境溫度要求高：釩電池通常工作環(huán)境溫度需保持在0-45℃，溫度過低會(huì)導(dǎo)致電解液凝固，而溫度過高則容易堵塞電解液通道，導(dǎo)致電池報(bào)廢。
成本高∶目前成本問題仍是釩電池大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用面臨的最大挑戰(zhàn)。由于尚未規(guī)模化商用，且受制于設(shè)備、產(chǎn)能以及高額的前期投入，目前釩電池成本約為鋰電池的2-3倍。以當(dāng)前集裝箱交付的價(jià)格（含電池包、溫控系統(tǒng)、換流系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等），目前釩液流電池成本達(dá)3-3.2元/Wh，對(duì)比目前儲(chǔ)能鋰離子電池成本約1.2-1.5元/Wh，釩電池仍面臨巨大的價(jià)格壓力。隨著政策推進(jìn)，釩電池形成規(guī)?；?、集群化產(chǎn)業(yè)后，電池成本有望進(jìn)一步下降。
全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由電堆、電解液、管路系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器等組成，其中電堆和電解液成本占系統(tǒng)總成本的85%左右，降低兩者成本是業(yè)內(nèi)共識(shí)。
其中電解液成本的下降近年比較明顯。電解液成本占比均在40％左右，目前釩電池的電堆成本正在快速下降，而且釩電解液幾乎可以完全回收，通過租賃電解液的方式可以有效降低電解液成本，實(shí)現(xiàn)電解液成本下降。國泰君安證券以典型項(xiàng)目測算，假設(shè)釩電池充放電次數(shù)達(dá)到1.2萬次，則從全生命周期看釩電池的成本為0.72元/KWh，低于鋰電儲(chǔ)能0.80元/KWh的成本。若考慮釩電解液的回收，其全生命周期成本僅為0.48元/KWh，隨著釩電池產(chǎn)業(yè)化帶來的成本下降，未來釩電池儲(chǔ)能或逐漸擺脫補(bǔ)貼，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性。
解決電堆成本問題，關(guān)鍵是提高電池的功率密度，其次是提升關(guān)鍵材料的有效使用面積，降低材料成本。南瑞集團(tuán)在2019年已將全釩液流電池單堆電流密度提高到140毫安/平方厘米，預(yù)計(jì)2021年有望達(dá)到160毫安/平方厘米；研制出新一代一體化高功率電堆，依托高溫?zé)崛酆图す夂附蛹夹g(shù)，將電堆一體化成型，達(dá)到降低接觸電阻、提高密封性能、提升電堆組裝自動(dòng)化裝配效率的目的。同時(shí)，通過改進(jìn)隔膜密封方式，降低隔膜使用面積和密封件數(shù)量，電堆的總成本降低了30%。這一成果為推動(dòng)全釩液流電池的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
2020年6月11日中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所發(fā)布消息稱，該所研究員李先鋒、張華民領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)近日成功研發(fā)出新一代低成本、高功率全釩液流電池電堆。
在降低成本方面，除了技術(shù)角度，還在商業(yè)模式上進(jìn)行了創(chuàng)新。利用釩電解液不消耗、殘值高、可循環(huán)利用的特點(diǎn)，通過電解液租賃方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電解液成本的管理，是行業(yè)內(nèi)較推崇的一種方式。區(qū)別于鋰電池租賃，這種方式能減小租賃物損耗費(fèi)用在租金中的占比，并使出租方利潤成為影響租金費(fèi)用的決定因素。央視智庫的一份報(bào)告認(rèn)為：若進(jìn)一步，電解液的獨(dú)特屬性被視作資源性保值產(chǎn)品，部分金融國企以購買基金或參股形式投資上游釩企業(yè)，平穩(wěn)租金，既能減少釩資源流失，提高釩金屬保有率，也有利于全釩液流電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。
隨著全釩液流電池技術(shù)迭代升級(jí)，商業(yè)投融模式不斷創(chuàng)新，行業(yè)對(duì)全釩液流電池儲(chǔ)能的定位將更加清晰，對(duì)其效能的認(rèn)識(shí)也得到提高。
應(yīng)用場景、主要項(xiàng)目和公司
1、應(yīng)用場景
釩液流電池已用在智能電網(wǎng)、通信基站、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、新能源削峰填谷等項(xiàng)目中。以北京普能為例，目前其釩液流電池應(yīng)用涵蓋千瓦級(jí)至兆瓦級(jí)系統(tǒng)。其中千瓦級(jí)系統(tǒng)主要由電池模塊/20kWh儲(chǔ)能系統(tǒng)/40kWh儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成，主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室能源存儲(chǔ)、通信基站供電等。兆瓦級(jí)系統(tǒng)主要由多個(gè)250kW標(biāo)準(zhǔn)模塊組成，并涵蓋電堆結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)液罐以及電子設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)等。目前主要用于電網(wǎng)儲(chǔ)能、削峰填谷。
國電南瑞生產(chǎn)的集裝箱型釩電池儲(chǔ)能電站
德國已經(jīng)出現(xiàn)家用小型釩電池儲(chǔ)能產(chǎn)品，但我國家用釩電池產(chǎn)品市場還有待加強(qiáng)。
2、近期主要項(xiàng)目
近三年來主要的釩電池建設(shè)項(xiàng)目匯總
2020年至9月中旬，規(guī)劃的釩電池項(xiàng)目裝機(jī)量達(dá)到6GW，容量超過20GWh。
3、相關(guān)企業(yè)
國網(wǎng)英大：上市企業(yè)國網(wǎng)英大的釩電池業(yè)務(wù)由全資子公司武漢南瑞負(fù)責(zé)。一直以來，武漢南瑞的釩電池供應(yīng)方向是國網(wǎng)內(nèi)部，無外部應(yīng)用計(jì)劃。不過今年9月17日，國網(wǎng)英大在回答投資者問的時(shí)候表示，武漢南瑞一直致力于推進(jìn)釩電池產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，把釩電池作為重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目進(jìn)行培育。“目前，全釩液流電池儲(chǔ)能處于商業(yè)化運(yùn)行前期，正積極與相關(guān)網(wǎng)省公司推進(jìn)全釩液流電池儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目落地，并與上游供應(yīng)商、商業(yè)合作伙伴等推進(jìn)商業(yè)模式創(chuàng)新，以降低電解液成本，有望推進(jìn)全釩液流電池市場進(jìn)入規(guī)?；?rdquo;
上海電氣：釩電池業(yè)務(wù)由其子公司上海電氣儲(chǔ)能公司負(fù)責(zé)。目前已經(jīng)推出兆瓦級(jí)釩液流電池，可實(shí)現(xiàn)分布式、集中式全覆蓋調(diào)峰調(diào)頻。目前正進(jìn)行的項(xiàng)目國電投集團(tuán)黃河上游水電公司液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目、常德10kWh/60KWh液流儲(chǔ)能系統(tǒng)由這一公司設(shè)計(jì)研發(fā)，已經(jīng)處于交付驗(yàn)收階段；汕頭智慧能源液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目1MW/1MWh全釩液流電池儲(chǔ)能電站已經(jīng)順利通過驗(yàn)收。
除了兩家上市企業(yè)，還有三家重要的非上市企業(yè)：
北京普能：普能是一家從事釩液流電池研發(fā) 制造并提供配套儲(chǔ)能服務(wù)的全球領(lǐng)先公司。其技術(shù)優(yōu)勢開始于2009年，當(dāng)年北京普能收購全球最大釩電池企業(yè)VRBPower Systems，接收其專利及研發(fā)人員，使得中國釩電池技術(shù)一躍而居世界領(lǐng)先位置。普能目前已在全球成功安裝運(yùn)營了 7 個(gè) MW 級(jí)、近 50 個(gè) KW 級(jí)儲(chǔ)能項(xiàng)目，并不斷加大投入推進(jìn)釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用，并在國內(nèi)承接了國家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程等。目前，北京普能已經(jīng)在釩電池的電堆集成技術(shù)、關(guān)鍵材料研發(fā)以及電解液制備技術(shù)三方面取得重大成果，占據(jù)了國際領(lǐng)先地位。
大連融科∶大連融科是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和大連博融控股集團(tuán)共同組建，主要業(yè)務(wù)為液流儲(chǔ)能電池工程化、產(chǎn)業(yè)化。背靠中科院大連物化所，大連融科持有200多項(xiàng)釩電池相關(guān)專利，目前已中標(biāo)多個(gè)風(fēng)電場示范項(xiàng)目的儲(chǔ)能系統(tǒng)業(yè)務(wù)。大連博融新材料有限公司成立于 2008 年 3 月，是全球第一家大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)釩儲(chǔ)能介質(zhì)的 企業(yè)，是國內(nèi)第一家大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)高性能釩制品的企業(yè)，同時(shí)也是全球領(lǐng)先的全釩液流電池儲(chǔ)能介質(zhì)服務(wù)商。
晟嘉電氣：子公司偉力得能源為國內(nèi)新興儲(chǔ)能電池企業(yè)之一，其光伏全釩液流儲(chǔ)能電站、新疆阿瓦提縣75MW225MWh 光儲(chǔ)示范項(xiàng)目一期已于2020年12月成功并網(wǎng)。此外，寧夏中寧縣棗園 100MW/400MWh 網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能電站前期工作中，阿克蘇地區(qū)七縣兩市充電樁基礎(chǔ)設(shè)施綜合體規(guī)劃前期工作中，與寧夏大唐達(dá)成了戰(zhàn)略合作，雙方將在”十四五“期間共同開發(fā)寧夏光伏指標(biāo)和電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能業(yè)務(wù)。
另外與釩金屬相關(guān)的上游企業(yè)包括攀鋼釩鈦、河鋼股份、安寧股份。
攀鋼釩鈦目前是釩電解液唯一上市公司，擁有釩電解液產(chǎn)能 600m3 /年，已與國內(nèi)多個(gè)大 型釩電池項(xiàng)目簽訂協(xié)議，例如大連 200MW/800MWh 液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國家示范項(xiàng)目、湖北項(xiàng)目、 新疆阿克蘇項(xiàng)目等，未來公司將計(jì)劃和電網(wǎng)合作，預(yù)計(jì)新增電解液產(chǎn)能 7000 立（對(duì)應(yīng)1000 噸高 純五氧化二釩），2022年 6 月投產(chǎn)。攀鋼釩鈦表示，2021 年 5 月 8 日，攀鋼研發(fā)出大幅降低電極材料成本的專利技術(shù)，有望加速其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
行業(yè)政策助力產(chǎn)業(yè)化，前景可觀
近十年來，產(chǎn)業(yè)政策一直在鼓勵(lì)釩電池的發(fā)展，主要技術(shù)取得重要突破，產(chǎn)品日趨成熟，目前釩電池已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化初期，類似于2014年的新能源汽車行業(yè)。
2012年，國家發(fā)改委發(fā)布《釩鈦資源綜合利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》，提出把“釩電池開發(fā)”等作為釩鈦產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要任務(wù)。
2015年，對(duì)釩電池實(shí)行稅收優(yōu)惠政策。當(dāng)時(shí)政策對(duì)無汞原電池、金屬氫化物鎳蓄電池、鋰原電池、鋰離子蓄電池、太陽能電池、燃料電池和全釩液流電池免征消費(fèi)稅。
2017年1月，國家能源局正式發(fā)布《能源技術(shù)創(chuàng)新“十三五”規(guī)劃》，全釩液流電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)化技術(shù)被列入了國家十三五能源新技術(shù)發(fā)展規(guī)劃內(nèi)，目標(biāo)在2016-2020年，實(shí)施百兆瓦以上級(jí)全國產(chǎn)化材料全釩液流電池儲(chǔ)能裝置示范應(yīng)用工程;建造300MW/年液流電池產(chǎn)業(yè)化基地，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。研究內(nèi)容：開展全釩液流電池用高性能、低成本非氟離子傳導(dǎo)膜的規(guī)?；苽?，開展30kW及以上級(jí)高功率密度電堆、高集成度集裝箱式200kW以上級(jí)的全釩液流電池模塊的工程化技術(shù)開發(fā);制定全釩液流電池標(biāo)準(zhǔn)。
2019年2月，國家能源局發(fā)布《全釩液流電池儲(chǔ)能電站安全衛(wèi)士技術(shù)規(guī)則》（征求意見稿），對(duì)全釩液流電池儲(chǔ)能電站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了總結(jié)。
2021年7月，國家發(fā)改委和能源局發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，文件提出要堅(jiān)持儲(chǔ)能技術(shù)多元化，推動(dòng)鋰離子電池等相對(duì)成熟新型儲(chǔ)能技術(shù)成本持續(xù)下降和商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)液流電池等長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期。
從這一文件可以看出，釩電池的商業(yè)化已經(jīng)撲面而來，即將在儲(chǔ)能行業(yè)大發(fā)展的浪潮中一展身手。
2021年7月，國家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院儲(chǔ)能技術(shù)負(fù)責(zé)人劉慶華表示：“‘十四五’時(shí)期，我國全釩液流電池將迎來非常好的大規(guī)模推廣時(shí)機(jī)。隨著各地全釩液流電池儲(chǔ)能示范項(xiàng)目落地并獲得技術(shù)驗(yàn)證，未來5年內(nèi)預(yù)計(jì)將是全釩液流電池從成熟走向推廣的重要窗口期。”
在政策強(qiáng)力扶持和企業(yè)動(dòng)力充足的前提條件下，釩電池的前景也獲得了多個(gè)機(jī)構(gòu)和企業(yè)的肯定。
浙商證券的報(bào)告提出，2019年裝機(jī)規(guī)模是20MW，2020年裝機(jī)規(guī)模達(dá)到100MW。目前我國釩電池滲透率為1%左右。未來發(fā)展前景廣闊：
浙商證券認(rèn)為，2025年中國電化學(xué)儲(chǔ)能新增45GWh，其中釩液流電池儲(chǔ)能新增將達(dá)14.2GWh，裝機(jī)功率3.5GW，滲透率達(dá)到20%。對(duì)應(yīng)市場規(guī)模297億元。
攀鋼釩鈦的最新報(bào)告提出，釩電池行業(yè)已經(jīng)處于商業(yè)化應(yīng)用前夕，未來 5 年有望成為 釩電池爆發(fā)第一階段。按照 1GWh 釩電池需要 5500 噸釩計(jì)算，假設(shè) 2025 年新增釩電池裝機(jī)量為4GWh，新增需求量 2.2 萬噸，對(duì)供需平衡表形成較大的沖擊。我們預(yù)計(jì)，隨著儲(chǔ)能發(fā)展帶動(dòng)釩電 池的應(yīng)用滲透率提升，釩有望成為繼鋰鈷鎳之后能源金屬。
原標(biāo)題：未來5年這種電池占比將達(dá)20%！全生命周期成本只有0.48元/kwh!它生而不凡！
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