全钒液流电池技术分析

因全球气候变暖，全球开始向低碳化转型。储能作为低碳过程中不可或缺的一环，近两年来发展飞速。目前主要的储能电池是锂离子电池，但由于锂电池原材料价格逐渐离谱，资本将目光转向了性质优良的液流电池。

钒电池发展历程

液流电池有非常丰富的发展历程，最早是美国NASA在1973年开始研究，当时的研究体系主要是Fe(3+)/Cr(2+)电对；

1976年，研究学者发现钒可以作为液流电池的活性物质；1988年，学者们在理论上证明了钒电池的可行性，次年，全钒离子氧化还原液流电池正式问世，并获得专利。

随着研究学者的不断深入研究，有关钒电池电极、电解液、隔膜等的文章层出不穷。钒电池优势及缺点逐渐被人们所认知。

钒电池相较于其他储能电池有以下优点。首先是电池容量与输出功率相对独立，电池容量只取决于电解液浓度与电解液的多少，输出功率则取决于电堆的大小；

其次钒电池充放电只有钒离子价态的变换，可实现深度放电；同时只有一种离子发生反应，无其他干扰，理论寿命是无限的；

当钒电池系统关闭时，电池无自放电现象，响应速度快，可实现瞬间充电，且无安全隐患；最后是电池的回收处理相较于其他电池更简单方便，对环境无危害。

缺点也很明显，钒电池目前能量密度低，仅能达到40Wh/kg，与一线锂离子电池相差十倍不止；钒电池成本相较于铁锌等其他液流电池来说要高很多，且占地面积大，工作温度区间狭窄，限制了钒电池的应用领域。

钒电池原理及材料

钒电池主要由电解液、电极、选择性质子交换膜、双极板和集流体组成。

其中又以电解液所占成本比例最高，能达到50%。正负极电解液的主要成分是不同价态的钒离子硫酸溶液，在工业领域，电解液最关键的原料为五氧化二钒，而五氧化二钒的来源，目前国内主流是从钒钛磁铁矿炼钢过程中产生的钒渣中提取五氧化二钒。

目前钒电解液制备方法主要有三种：物理溶解法、化学还原法、电解法。

其中物理溶解法是采取硫酸直接溶解高浓度的硫酸氧钒固体值得；

化学还原法则是采用单质硫、亚硫酸等还原剂在一定条件下将五价钒还原成四价或三价钒；

电解法是目前主流的制备方法，以五氧化二钒为原料，在硫酸中制得，运行温度一般为零下5℃至50℃。

此外，在电解液中加入一些添加剂也会影响电解液性能。如加入甲磺酸、甘油、正丙醇等添加剂均可提升电解液能量效率或能量密度。

在电极领域，钒电池电极主要有碳素类电极、金属类电极与复合电极。其中碳素电极具有稳定性强、耐腐蚀、导电性好、成本低等特点，但电化学活性差，有待进一步改进。

金属类电极具有导电性好、机械性能高、电化学活性较高等优点，但放电过程中易形成钝化膜，严重影响反应。

复合电极一般为高分子聚合物与碳素类材料混合加工成型制得，具有内阻低、电化学稳定性好、电导率高等优点。

在隔膜方面，目前应用最广泛的阳离子交换膜为Nafion膜，该膜电压效率高达90%以上，导电率好，增大膜厚度，能有效提高电池效率，但成本会增加。

阴离子交换膜在钒电池中通过膜内电解阴离子和电解中的硫酸根离子等阴离子交，完成载流子的传输。

此外，两性离子交换膜是目前的研究热点之一，其具有阳、阴离子交换膜的特点。

政策及上下游动作

近年来，我国出台了多项钒电池相关的政策及标准，2018年，国家能源据发布《全钒液流电池维护要求》及《全钒液流电池 安装技术规范》；

2019年，国家能源局发布《全钒液流电池储能电站安全卫士技术规则（征求意见稿）》；

2021年，国能源局与发改委发布《加快推动新型储能发展的指导意见》，《意见》中指出坚持储能技术多元化，实现液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期；到2025年，由商业化初期向规模化发展转变。

让资本最为关注的一条政策是今年6月发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求（征求意见稿）》，规定大型储能电站中不得使用三元锂电池及钠硫电池。这条政策一出，市场反响强烈，7月，钒电池相关概念股集体大涨。

钒电池产业链目前可以上游五氧化二钒的原料生产，中游各部件的配套、下游整装生产三大环节。

上游原材料相关企业包含钒钛股份、河钢股份、川威集团、龙佰集团、中核钛白等。

中游电解液生产相关企业包含大连融科、湖南银峰、河钢股份等；电堆目前由钒电池生产企业内部供应；隔膜相关企业包含科慕、东岳集团、苏州科润等；电极企业包括辽宁金谷、纳斯新材料、甘肃富莱等。

下游整装生产企业包含大连融科、北京普能、伟力得、国网英大等。目前上下游企业基本已经完成绑定，钒钛股份与大连融科达成合作，河钢股份与北京普能达成合作，中核钛白与伟力得达成合作。

目前已建成投产的项目有：

2012年，融科储能与国电龙源合作建成的卧牛石风电场5MW/10MWh全钒液流电池储能示范电站，目前已运行10年。

2021年3月，北京普能与湖北高新区管委会签订“年产50兆瓦钒电池储能系统”协议；

2021年6月，宁夏伟力得GW级全钒液流电池正式投用；

今年9月，永泰能源与海德股份合伙成立德泰储能公司，目前该公司与永泰能源所属火电厂合作建设30MWh全钒液流电池储能辅助调频项目也已经落地。

今年10月中旬，全球功率最大、容量最大的液流电池储能调峰电站——大连液流电池储能调峰电站投用，该电站股东之一为大连融科。

未来展望

国家政策在推进新能源行业发展，鼓励发展全钒液流电池，同时我国钒资源非常丰富，储量排世界第一，且钒电池因其独特优点，可广泛应用至风电光伏、电网调峰、应急电源、军用蓄电等诸多领域，具有广阔的发展前景。

但目前钒电池产业属于刚刚兴起的阶段，虽然已拥有完整的产业链，还存在市场规模小、认知度低、产能不足等诸多问题待解决。

目前研究方向主要有：开发高稳定性、高浓度的电解质；开发高离子选择性、低成本的隔膜；开发高导电性、高电化学活性的电极材料；进一步优化电堆设计，提高能量效率；进一步研发低成本、高稳定性的集成及智能控制技术等。

据EVTank数据，2021年我国钒电池新增装机量0.13GW，预计2022年新增装机量达到0.6GW，到2025年，钒电池新增装机规模有望达到2.3GW以上。

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