中国粉体网讯 随着科技的发展，太阳能、风能、潮汐能等可再生能源已经成功应用于发电设施，使得产能形式更加丰富。但是，这些可再生能源受天气环境影响，具有间歇不连续、波动性较大等缺点，恶化了配电网的电能质量和可靠性。因此，需要在可再生能源系统中配备储能设备，将可再生能源电力转换成可储存的能源，然后以可控的方式部署到电网中，根据不断变化的电网需求，对电力进行一致的、即时的供应。储能设备能够提高可再生能源利用效率，实现对电能的“调峰填谷”，充分发挥可再生能源的优势。
目前，不同的储能设备根据适用性要求，在各自的领域已得到应用。中国科学院电工研究所研究员、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会副秘书长陈永翀认为，“安全是电化学储能首要因素，电化学储能的规模发展需要‘三好学生’，未来具有‘高安全、低成本和易回收’特性的储能专用电池将会获得大规模应用”。
钒电池以安全、超长循环次数、可回收等特性成为电化学储能新风向，其非凡的发展潜力吸引了资本市场的目光。
钒电池储能系统（图源：格瑞帕洛孚）
钒电池工作原理
钒电池由Skyllas-Kazacos等在1985年提出，结构上主要由电解液、电极、选择性质子交换膜、双极板和集流体组成，结构示意图见下图。
钒电池结构示意图（图源：罗丽娟等，《综合能源服务用钒电池储能》）
钒电池利用VO2+/VO2+、V2+/V3+两对氧化还原电堆的钒离子溶液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。对电池进行充/放电时，电解液通过泵的作用，由外部储液罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充/放电。
充电时，正负极电解液伴随着外部电流进入电堆，钒离子价态发生改变（负极钒离子价态由三价转变成二价，正极钒离子由四价转变成五价），正负极之间的电势差增大，外部电能转换为化学能储存起来。
放电时，所储存的化学能通过相反的反应在电堆里转换为电能释放出来。储能电量的多少取决于电解液的体积和浓度，电解液的浓度越高、体积越大，储存的电能越多。放电所带负载的大小由电堆功率决定，电堆功率越大，充电越多，放电所带最大负载也越大。
钒电池特点
（1）配置灵活。钒电池设计灵活，功率和容量独立设计。电池的输出功率由电堆大小决定，增加单电池数量和有效面积，即可增加电堆功率；电池的容量大小由电解液的量决定，增加电解液的体积和浓度，即可增加电池容量；可根据各种应用场所和领域的负载大小进行功率和容量的调节。
（2）循环寿命长。循环次数≥13000次以上，使用寿命可达20年以上。
（3）安全性高。系统在常温下运行，无爆炸、起火等危险，备有防漏装置，避免发生电解液泄漏。
（4）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。
（5）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。
但是，目前钒电池的发展还面临着一些问题，如能量密度低，成本居高不下，行业仍处在示范到商业化的前期，供应链不成熟，市场仍处在开发阶段。
钒电池发展优势
（1）资源方面
钒具有天然的耐腐蚀性，能在碱、酸和盐溶液中稳定存在，其常伴生或共生存在于钛磁铁矿、磷矿、煤矸石、铝土矿、油页岩、闪锌矿、玫瑰铅矿和铜矿等60多种矿物中，极少以单一矿物存在。在这些矿物中，钒的含量一般低于2%。
美国地质调查局（USGS）数据显示，截至2021年底，全球钒金属储量6300万吨，其中钒矿金属钒储量（已认定的钒资源中符合当前采掘和生产要求的部分）约为2217万吨。其中，中国钒矿储量约950万吨，占比39%，位居第一；2~4位的澳大利亚、俄罗斯和南非储量占比分别为25%、21%和15%。
产量方面，2021年全球钒产量10.7万金属吨，中国产量为7.3万吨，占比68%，资源可完全自给；俄罗斯、南非和巴西的产量占比分别为18%、8%和6%。
2021年全球探明钒资源分布情况（单位：万吨）（图源：魏甲明等，《全钒液流电池技术研究进展》）
（2）政策方面
2021年7月，国家发展与改革委员会和国家能源局发布《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，实现液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期；2025年，实现新型储能从商业化初期向规模化发展转变，实现液流电池等长时储能技术进入商业化发展初期。
2022年3月，国家发展与改革委员会、国家能源局印发《“十四五”新型储能发展实施方案》，文件中要求形成技术示范、加大液流电池等关键技术装备研发力度，最终在2030年实现碳达峰和2060年的碳中和的双碳政策目标。
2022年6月，国家能源局发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》，提出“中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池”。该项政策，为钒电池的应用打开了想象空间。
钒电池发展前景
国际权威咨询机构麦肯锡将储能技术定位为影响未来世界发展的12项颠覆性技术之一。国际能源署（IEA）预计，到2050年全球储能市场规模将达数万亿美元。钒电池储能系统随着新能源和储能的大规模应用而不断发展和进步，市场潜力和市场份额进一步的提升。
研究机构EVTank近日发布的《中国钒电池行业发展白皮书（2022年）》显示，2022年国内大量的钒电池储能项目开工建设，预计全年新增装机量将达到0.6GW；2025年钒电池新增规模将达到2.3GW；2030年新增规模将达到4.5GW，届时，钒电池储能项目累计装机量将达到24GW。
英国IDTechEx公司报告认为，面向储能市场的钒液流电池到2031年前后或将在装机容量上超过锂离子电池。
钒电池企业布局
在政策推动和技术进步双重作用下，钒电池脱颖而出，成为近期市场资金竞相追捧的“香饽饽”，多家上市公司早已布局，抢占未来赛道。
（1）攀钢钒钛
攀钢钒钛在2021年钒业务营收达45亿元，占总营收1/3。同年，该公司收购“西昌钒制品”来扩大钒制品产能，并同大连博融签署战略合作协议，谋划布局钒电池产业链。虽然该公司很早就开始生产钒电池电解液，不过目前尚未涉足钒电池业务。
（2）中核钛白
中核钛白今年7月初发布公告称，公司与伟力得签署了《全钒液流电池储能全产业链》战略合作协议，双方将出资设立甘肃泽通伟力得钒材料有限公司，共同推进钒矿资源的开发、钒电解液的制造及相关配套产业的项目落地。合资公司将通过控制钒矿来源，以及应用尖端技术将低品位的钒原料进行提取，从而降低钒电解液价格。
（3）龙佰集团
龙佰集团表示，旗下的电池材料研究所有进行钒电池相关的研究，不过未进入量产阶段。目前，公司有一条产能800吨/年的废酸提取五氧化二钒产线，此外，全资子公司龙佰四川矿冶有限公司拟25亿元投资建设钒钛铁精矿碱性球团湿法工艺年产3万吨V2O5创新示范工程。该项目的投资有利于公司充分利用攀枝花钒钛磁铁矿中的钒资源，提高资源综合利用水平。同时，公司电池材料研究所正在进行钒电池技术研发，储备相关技术，未来公司将根据钒电池市场情况，积极推动钒电池材料产业化。
（4）上海电气
上海电气钒电池业务已有10年基础，最早的研发团队创立于2011年，相关产线于2020年建成。目前，其全钒液流电池储能系列产品，已经完成了从研发设计、平台测试，到生产制造和规模化应用的“三步走”。上海电气方面表示，其目前有3GW的钒电池订单在手，汕头已建成的零碳园区储能项目使用的即为公司生产的钒电池。并且，公司在钒电池相关知识产权领域也具备一定竞争优势。
（5）河钢股份
河钢股份目前已拥有自主知识产权的钒电解液用高纯氧化钒、全钒液流电池电解液技术，并建成1000吨/年高纯钒产线、1000吨/年钒电解液产线，产品质量得到国内外顶级钒电池厂家的认证，并应用于部分光伏—钒储能系统。
（6）海德股份
今年4月份，海德股份与中钒储能和中国科技签署《全钒液流储能电池产业开发合作协议》，拟共同出资设立全钒液流储能电池产业开发公司，推进钒电解液生产、全钒液储能电站建设等全钒液流储能电池产业项目开发。
参考来源：
1、曲大为等，《钒氧化还原流电池技术综述》
2、陈宇宁等，《钒电池用两性离子交换膜的研究进展》
3、魏甲明等，《全钒液流电池技术研究进展》
4、罗丽娟等，《综合能源服务用钒电池储能》
5、吴优等，《2020年全球钒工业发展报告》
6、中国高新技术产业导报，《钒电池成储能赛道新风口》
7、中国经营报，《钒电池“异军突起” 跨越式增长前景可期？》
8、中国证券报，《钒电池产业迎来发展机遇期》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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