有色金属钒行业研究天生为储能出手不平钒.docx

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有色金属钒行业研究天生为储能出手不平钒

有色金属钒行业研究：

天生为储能，出手不平钒

（报告出品方：

太平洋证券）

一、钒电池的前世今生

（一）什么是钒电池？

全钒氧化还原液流电池，简称为钒电池（VanadiumRedoxBattery，缩写为VRB），是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。

钒电池是一种蓄电池，利用钒离子在不同氧化态下的不同化学势能保存能量，具有充放电效率高、容量可以随着贮液罐的增加而提高、电解液可以循环使用等优点。

工作原理：

钒电池是通过钒化合价的变化来实现电能与化学能之间的转化。

正、负极电解液分别由V4+/V5+和V2+/V3+电对的硫酸溶液组成，充电时正极电解液中发生V4+向V5+转化，负极电解液中V3+向V2+转化，同时伴随着氢离子的生成；放电时与之相反。

其电极反应机理如下：

正极：

VO2++2H++e—<->VO2++H2O负极：

V2++e—<->V3+

（二）发展历史：

海外受限资源，国内后来居上

（1）海外发展

1974年，Thaller提出了一种电化学储能技术，这种新的蓄电池称作液流电池，也是钒电池的前身。

1985年，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的MarriaKazacos教授开始研究硫酸氧钒做正负极电解液，提出了全钒液流电池。

UNSW自1985年申请了钒电池专利以来，一直致力于钒电池的研究。

该公司的主要贡献在于发现通过氧化钒（IV）溶液可使高浓度的钒（V）溶液稳定存在于硫酸介质中，从而使全钒液流电池具有实用价值。

同时该公司所开发的从钒氧化物中制备钒电池溶液的工艺成本低、性能好，也是钒电池能够得到推广的重要原因。

1993年UNSW与泰国石膏制品公司合作，将钒电池应用于太阳能屋。

2001年，加拿大Vanteck公司收购了Pinnacle公司59％的股份，从而拥有了钒电池技术的核心专利权。

2002年Vanteck公司改名为钒电池储能系统技术开发公司（VRBPowerSystems），专门从事钒电池技术的开发和转让，成为全球最大的钒电池公司。

2008年，VRB公司在金融危机中被中国普能收购，核心技术和生产线被迅速转移到中国。

日本因受其资源限制,自20世纪80年代以来一直从事钒电池的研究,现已组建多套钒电池商用系统并掌握了钒电池的核心技术。

其中SEI公司（日本住友）具备完整的生产和组装钒电池系统的全套技术,其组建的钒电池系统已投入商业运营,其技术成熟度高居世界首位。

目前SEI公司的25kW实验室钒电池电堆已达16000次循环,历经8ａ使用正常。

除电池隔膜的寿命有限,其他组件都可以循环使用。

这一特性较其他寿命有限的化学电池来说，具有很大的成本优势。

（2）国内发展

1995年，中国工程物理研究院电子工程研究所首先在中国展开钒电池的研究，研制成功500W和1kW的样机,拥有电解质溶液制备等多项专利。

2006年，中国科学院大连化学物理研究所研制成功10kW试验电堆,并通过国家科技部验收,标志着中国的全钒液流电池系统取得阶段性成功。

研究开发的全钒液流储能电池示范系统由千瓦级电池模块、系统控制模块和LED屏幕三部分组成。

利用该系统可实现利用储能电池储存夜间电能,在日间对LED屏幕进行供电。

清华大学利用在膜分离功能材料制备、膜过程与设备设计等方面的研究经验和技术积累,以及电解质溶液热力学、功能膜材料物理化学、化工过程传质学的丰富理论研究成果,在电堆流道设计、电堆密封结构、锁紧方式方面取得研究成果，并成功研发出全钒液流电池测试平台。

北京普能世纪科技有限公司于2009年收购VRB公司,由此掌握钒电池的核心专利权。

普能公司已经在钒电池的电堆集成技术、关键材料研发以及电解液制备技术三方面取得重大成果，占据了国际领先地位。

2011年《“十二五”钒钛资源综合利用及产业基地规划》于年中发布，中国钢铁工业协会钒业分会也于2011年5月正式成立，表明中国钒钛业发展已上升至国家层面，钒资源新的利用方向-钒电池也开始逐渐为市场所关注。

2015年12月18日，国内最大钒钛生产商攀钢参与合作研发的千瓦级钒电池产品已批量生产，兆瓦级产品处于商业化示范阶段。

2016年，湖北省科技厅召开国家国际科技合作重点专项“高性能纳米线钒系锂离子动力电池联合研发”项目验收会。

该项目面向清洁高效能源的可持续发展，通过与哈佛大学开展合作，建成了单次百公斤级纳米线钒系正极材料中试线和自动化电子生产线，完成了纳米线钒系动力电池的装配和装车实验，进行了电动汽车示范运行，对我国发展清洁高效能源系统产生了积极影响。

2020年6月11日中国科学院大连化学物理研究所发布消息称，该所研究员李先锋、张华民领导的科研团队近日成功研发出新一代低成本、高功率全钒液流电池电堆。

（三）天生为储能

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。

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。

（3）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。

（四）行业政策：

钒电池即将产业化，迎来黄金十年

2012年，国家发改委发布《钒钛资源综合利用和产业发展“十二五”规划》，提出把“钒电池开发”等作为钒钛产业结构升级的重要任务。

2015年，对钒电池实行税收优惠政策。

为促进节能环保，经批准，自2015年2月1日起对电池、涂料征收消费税。

具体政策内容包括：

将电池、涂料列入消费税征收范围，在生产、委托加工和进口环节征收，适用税率均为4%。

对无汞原电池、金属氢化物镍蓄电池、锂原电池、锂离子蓄电池、太阳能电池、燃料电池和全钒液流电池免征消费税。

2017年1月，国家能源局正式发布《能源技术创新“十三五”规划》，明确了2016年至2020年能源新技术研究及应用的发展目标。

全钒液流电池储能产业化技术被列入了国家十三五能源新技术发展规划内，目标在2016-2020年，实施百兆瓦以上级全国产化材料全钒液流电池储能装置示范应用工程;建造300MW/年液流电池产业化基地，实现规模化生产。

研究内容：

开展全钒液流电池用高性能、低成本非氟离子传导膜的规模化制备，开展30kW及以上级高功率密度电堆、高集成度集装箱式200kW以上级的全钒液流电池模块的工程化技术开发;制定全钒液流电池标准。

2019年2月，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），标准起草组认真总结了全钒液流电池储能电站的设计及运行实践经验，吸取了相关科研成果，考虑了我国全钒液流电池储能电站技术发展情况，并广泛征求了有关设计、管理和运行单位意见的基础上，完成了本标准的制定工作。

2020年，江西省工信厅制定《江西省新能源产业高质量跨越式发展行动方案（2020-2023年）》支持锂电池、钒电池等二次电池在光伏、风电等新能源发电配建储能、电网调峰调频通信基站储能等多方面推广应用，开展综合性储能技术应用示范。

2021年7月，国家发改委和能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，文件提出要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，实现液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。

政策总结：

近十年来，产业政策一直在鼓励钒电池的发展，主要技术取得重要突破，产品日趋成熟，目前钒电池已经进入商业化初期，类似于2014年的新能源汽车行业。

从2021年《关于加快推动新型储能发展的指导意见》政策中可以看出，钒电池的商业化已经扑面而来，即将在储能行业大发展的浪潮中一展身手。

（五）成本与安全

与锂电池相比，钒电池最大的劣势就是成本。

近30年来，锂电池成本不断下降，数据显示，成本下降幅度超过97%。

随着消费电子和新能源汽车对锂电池行业的拉动，锂电市场规模急剧扩大，技术不断进步，加上规模效应，自然带来成本的大幅下降。

目前钒电池在电化学储能装机占比偏低，无论是全球还是中国，比例都是低于1%。

由于钒电池适合储能领域，随着未来储能的大发展，钒电池渗透率有望快速提升。

正是由于应用领域的需求迸发，才能带动钒电池成本的下降，一如新能源汽车对于锂电池的影响。

政策对于储能成本考量的改变加速储能行业的发展。

2019年，国家发改委明确电网侧储能不能计入输配电价成本等因素影响，储能发展遭遇急刹车。

但是近期政策有所转变，2021年7月，国家发改委和能源局印发《关于加快新型储能发展的指导意见》，明确提出“建立电网侧独立储能电站容量电价机制，逐步推动储能电站参与电力市场；研究探索将电网替代性储能设施成本收益纳入输配电价回收。

完善峰谷电价政策，为用户侧储能发展创造更大空间”。

我们认为，政策对储能成本的改变有望加速钒电池渗透率的提升。

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，其中电堆和电解液成本占系统总成本的85%左右，降低两者成本是业内共识。

解决电