钒液流储能电池及其产业链核心资源分析

蓝狮平台网讯：01、钒液流电池工作原理

钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(VanadiumRedoxBattery，VRB)，为液流电池的一种，是一种基于金属钒元素的氧化还原的电池系统，其电解液是不同价态的钒离子的硫酸电解液。全钒液流电池，寿命长、规模大、安全可靠的优势尤为突出，成为规模储能的首选技术，在调峰电源系统、大规模风光电系统储能、应急电源系统等领域具有广阔的应用前景。

液流电池工作原理为通过外接泵与交换膜实现离子电化学反应。全钒液流电池是一种二次充电电池。利用VO2+/VO2+、V2+/V3+两对氧化还原电堆的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中。通过外接的泵，将电解液运输至电池堆内的正极室和负极室，使其在不同的储液罐和半液态的闭合回路中循环流动，并采用离子交换膜作为电池组的隔膜，电解质的溶液流过电极表面产生了电化学反应，从而实现钒电池的充放电过程。

充电过程：电池正极（阳极）发生氧化反应：VO2++H2O→VO2++2H++e-；负极（阴极）发生还原反应：V3++e-→V2+；总反应式为VO2++H2O+V3+=VO2++2H++V2+。电子经外部电路由正极流向负极，氢离子经交换膜由正极室进入负极室，外部电流方向由负极至正极。

放电过程：电池正极（阴极）发生还原反应：VO2++2H++e-→VO2++H2O；负极（阳极）发生氧化反应：V2+→V3++e-；总反应式为VO2++2H++V2+=VO2++H2O+V3+。电子经外部电路由负极流向正极，氢离子经交换膜由负极室进入正极室，外部电流方向由正极至负极。

根据不同储能应用场景，钒液流电池系统主要分为集装箱型及建筑物型。小规模的液流电池系统基本上是集装箱化，大规模的能源基地的液流电池系统基本为建筑物化。

此外，德国已出现家用小型钒电池储能产品，我国家用钒电池产品市场有待突破。德国Voltstorage公司已推出1.5kW/6.2kWh家用钒液流电池产品，配合家用光伏系统即可实现能源自给。目前推出的产品尺寸为580×580×1406mm，并且可通过多个产品串联提高储能系统功率与容量。

02、钒液流电池发展历史

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。1984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。自此，钒液流电池进入公众视野。

中国发展钒液流电池产业目前处于全球领先。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。

目前，中国已有北京普能、大连融科、上海电气等多家钒液流电池产业龙头企业。

03、钒液流电池相比其他储能的优劣势

在各类储能电池中，钒液流电池优点十分明显：

1、储能上限高且可控，功率也可自由调节。钒液流电池储能系统的一个显著优势是它的模块性，即系统的功率组件与容量组件可以独立设计。如兆瓦级系统设计由可多个250kW标准模块组成，VRB-ESS系统的额定功率由电堆的数量决定而储电容量则由电解液的体积决定。如果一套系统需要较高的额定功率或者额外的储电容量，那么简单地增加电堆数量或者添加电解液就可以解决了。

2、安全性高。钒电池无爆炸、火灾隐患。钒电池的活性物质以液态形式贮存在电堆外部的储液罐中,流动的活性物质使浓差极化可减至最小，即使正负电解液混合，也无危险，但电解液温度略有上升。此外，其所有的部件基本上都浸泡在溶液当中，散热得到了溶液的支持，同时由于开放的体系，不会存在类似锂电池热失控这一问题。

3、使用周期长。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，在充放电过程中不存在复杂的固相反应,因此电池寿命长。能耐受大电流充放，可以在不损坏电池的情况下进行深放电，循环次数≥13000次以上，电池使用寿命可达15-20年。

4、效率高。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，满充后可长期保持，极低的自放电率，自放电几乎可以忽略不计。充放电能量转换钒电池的效率高达75%以上。

5、响应速度快、充电便捷。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。另外，可以通过直接更换电解液实现钒电池的瞬间充电。

6、环境友好。和常用的铅酸电池相比，在静态运行时，寿命周期内总的排放量仅有铅酸电池的7-25%；电解液可更换、回收，离子膜不需要贵金属作电极催化剂，电极材料多为碳材料制品。

7、安置便利。钒电池可全自动封闭运行，正常工作时对外界无污染，安装定位自由度大，除温度外对安装环境没有过高要求。

另一方面，钒电池也存在一些待解决的缺点：

1、体积、质量庞大。受制于电解液中离子溶解度上限，钒电池比能量密度低，且技术难以突破。同样能量的钒电池体积可达锂电池的3-5倍，质量达2-3倍。因此，钒电池仅能适用于静态储能系统，难以应用于电动汽车、电子产品等领域。

2、环境温度要求。钒电池通常工作环境温度需保持在0-45℃，温度过低会导致电解液凝固，而温度过高则会导致溶液中的V5+形成V2O5析出，从而堵塞电解液通道，导致电池报废。

3、副产物处理要求高。电解质的原料、正沉淀和由泄漏的正溶液的空气干燥形成的薄层都具有相同的东西，即V2O5，是一种高毒性的化学品。

4、高成本、高维护成本。成本高昂，目前5kW钒电池仅材料成本可达40万以上；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，高频次的维护使其难以在用户侧广泛应用。

04、钒液流电池产业链核心资源——钒金属

1、钒资源缺口即将出现

目前1GW钒电池用五氧化二钒的量为1万吨左右，假设钒电池在储能领域的渗透率达到15%，则2025年新增钒电池装机量为4.5GW，由此带来的五氧化二钒新增需求量为4.5万吨，相当于2020年钒电池市场规模的9倍，钒资源供给缺口隐现。随着储能发展带动钒电池的应用渗透率提升，钒有望成为继锂钴镍之后的又一重要能源金属。

2、钒金属简介

钒是一种坚硬的银灰色金属元素。它是一种延展性过渡金属，具有天然的耐腐蚀性和对碱、酸和盐水的稳定性。钒存在于60多种不同的矿物中，包括钒矿、角闪锌矿、玫瑰铅矿和铜矿。钒也存在于原油、煤炭和沥青砂等化石燃料中。世界上几乎所有的钒都是从开采的矿石中分离出来的精矿(通常是富钒和富钛的磁铁矿)，或者是炼钢炉渣的副产品。

钒的产品分为初级产品、二级产品和三级产品，五氧化二钒和钒铁是主要产品。初级产品包括含钒矿物、钒渣、石煤和含钒固废等，二级产品包括五氧化二钒（V2O5）和三氧化二钒（V2O3）等，三级产品包括钒铁、钒氮合金、钒铝合金和碳化钒等。

3、钒金属储产量分析

全球钒矿储量主要集中在中国、俄罗斯、南非，中国储量占全球的43%。根据USGS数据，全球钒矿储量共计2200万吨（金属量，下同），其中中国储量950万吨，占比达到43%，俄罗斯和南非占比分别达到23%和16%。

产量方面，中国钒矿产量仍然占全球最高。2020年全球共生产矿产钒8.6万吨，中国生产矿产钒5.3万吨，占全球钒矿产量62%，俄罗斯和南非分别生产钒1.8万吨和0.8万吨。

用当年储量比上当年产量，得到静态的开采年限，以此衡量资源的相对充足度。2020年全球钒静态开采年限达到253年，相比于其他金属20-50年的静态开采年限，钒的资源十分充足，其资源储量完全有能力保障需求的数量级增长。

4、石煤提钒将有效缓解钒资源缺口

国内钒矿主要包括钒钛磁铁矿和黑色页岩型（石煤）钒矿。钒钛磁铁矿以共伴生存在为主，分布区域主要有四川攀枝花地区、河北承德地区和辽宁朝阳地区。由于钒渣是由钒钛磁铁矿炼钢过程中产生，在中国钢铁企业产能和产量受到政策约束的背景下，这一钒供应最主要来源将难以产生增量供给，所以，钒资源缺口只能由石煤钒矿的开采补足。

石煤提钒环保问题严重。石煤提钒的传统工艺为钠盐焙烧法。通过焙烧石煤，使其中的低价钒（三价、四价）转化为高价钒（五价），高价钒再与钠盐结合生成水溶性的钒酸盐。将焙烧后的矿料用水浸或酸浸，再沉粗钒-粗钒碱溶-沉偏钒酸铵-热分解-精钒。该工艺流程简单，生产条件要求低，设备简陋，建厂时间短，成本低，见效快，非常适合个体私营和小企业经营。缺点是排出大量富含对周边环境造成严重污染的HCl、Cl2等腐蚀性气体的废气；回收率低、资源综合利用差，全流程总回收率低于45%。

随着钒需求的增长，越来越多的独立钒矿山正在被开发。如果钒的需求以高于钢铁产量增速继续增长，就不得不导致更多的独立钒矿山得到开发，但中国正在执行越来越严格的环保政策，这导致能通过政府环评的公司少之又少。符合环保要求的石煤提钒公司成为整个钒液流电池产业链的最核心资源。

05、总结

钒液流电池通过钒离子的氧化还原反应实现充放电功能，其原理及特性使其具备安全性高、储能上限高、功率可自由调节、使用寿命长、自放电率低、环境友好等一系列其他储能方式所不具备的优势。

随着储能行业的大爆发，钒液流电池的需求迎来飞速增长，产业链上游钒金属核心资源的短缺矛盾将日益凸显。石煤提钒是提高钒金属供应最重要也是最可行的路径。掌握石煤钒矿资源及石煤提钒核心技术的企业将赢得这场储能竞赛的最终胜利。