新型儲(chǔ)能技術(shù)百舸爭(zhēng)流， 釩電池在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯

• 柯壯賓 2023年8月7日 來(lái)源：中研網(wǎng) 850 52
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釩電池尚處于商業(yè)化早期，產(chǎn)業(yè)鏈強(qiáng)勢(shì)環(huán)節(jié)有望率先收益。上游釩資源供給剛性，自有釩礦企業(yè)鑄就資源壁壘；中游關(guān)鍵材料商中，電解液廠商多為釩資源企業(yè)向下游產(chǎn)業(yè)鏈延伸或者電池集成商向上游一體化布局，部分隔膜材料商有望打破國(guó)外壟斷；下游系統(tǒng)集成商由于初裝成本高且

全釩液流電池（VFB）又稱釩電池，主要利用釩離子的價(jià)態(tài)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放。從工作原理上來(lái)看，釩電池相比鋰離子電池的最大不同在于導(dǎo)電離子主要為不同價(jià)態(tài)的釩離子。釩元素的價(jià)態(tài)多變，不同價(jià)態(tài)的化合物呈現(xiàn)不同的顏色，所以用北歐神話里的女神Vanadis（又名Freyja，愛(ài)情與美貌之神）來(lái)命名，翻譯為中文就是“釩”。充電時(shí)，正極的VO2+失去電子成為VO2+，負(fù)極的V3+得到電子成為V2+；放電時(shí)則相反。從結(jié)構(gòu)上看，與鋰電池的電解液集成在電池內(nèi)部不同，釩電池的正負(fù)極的兩側(cè)各有一個(gè)電解液儲(chǔ)罐，通過(guò)循環(huán)泵輸送至電池內(nèi)部進(jìn)行反應(yīng)。

釩電池最早由澳大利亞新南威爾士大學(xué)Skyllas-Kazacos提出，因其具有安全性高、儲(chǔ)能容量大、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。釩電池正負(fù)極氧化還原電對(duì)使用同種元素釩，電解液在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可再生，避免了交叉污染帶來(lái)的電池容量難以恢復(fù)的問(wèn)題；釩電池正負(fù)極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)良好，無(wú)外加催化劑即可達(dá)到較高的功率密度；而且由于釩電池使用水溶液作為儲(chǔ)能介質(zhì)，避免了有機(jī)溶劑作為電解液時(shí)易燃易爆炸的安全風(fēng)險(xiǎn)，可靠性高。隨著清潔能源發(fā)展對(duì)儲(chǔ)能需求的增加，越來(lái)越多的研究單位和企業(yè)開始涉足釩電池產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)，如日本住友電工、美國(guó)UET公司、英國(guó)Invinity、奧地利Enerox、澳大利亞TNGLtd公司等。

我國(guó)對(duì)釩電池的研究起步較早，目前已進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)示范運(yùn)行和市場(chǎng)開拓階段。20世紀(jì)80年代末，北京大學(xué)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)已建立了全釩液流電池實(shí)驗(yàn)室模型。1995年中國(guó)工程物理研究院研制出1kW的釩電池電堆樣機(jī)。此后，中南大學(xué)、中科院大連化物所、清華大學(xué)、中科院沈陽(yáng)金屬所、北京普能、大連融科等機(jī)構(gòu)開始從事釩電池的研發(fā)和商業(yè)化推廣工作。2022年10月31日，全球最大的全釩液流電池儲(chǔ)能電站建成并在遼寧大連并網(wǎng)發(fā)電，一期規(guī)模為100MW/400MWh。

隨著儲(chǔ)能行業(yè)的快速發(fā)展，釩電池裝機(jī)規(guī)模有望進(jìn)一步增長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)家能源局的數(shù)據(jù)，截至2022年底，全國(guó)已投運(yùn)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模達(dá)870萬(wàn)千瓦，平均儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)約2.1小時(shí)，比2021年底增長(zhǎng)110%以上。2021年7月，國(guó)家能源局在《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出，到2025年，我國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)容量要達(dá)到30GW以上。而根據(jù)2022年11月中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)《新能源配儲(chǔ)能運(yùn)行情況調(diào)研報(bào)告》的數(shù)據(jù)，到2025年，國(guó)內(nèi)各省規(guī)劃的新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模合計(jì)超過(guò)60GW。而釩電池作為儲(chǔ)能技術(shù)的一種，2021年和2022年在新型儲(chǔ)能裝機(jī)中的占比分別為0.6%、2.3%，并有望隨著長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能需求的增大，滲透率進(jìn)一步提升。

目前釩電池產(chǎn)業(yè)處在商業(yè)化早期，市場(chǎng)需求未打開，相關(guān)企業(yè)分為三類：上游釩礦、中游原材料商和電池集成商?，F(xiàn)階段釩電池產(chǎn)業(yè)鏈面臨的主要問(wèn)題是：成本問(wèn)題制約了釩電池的規(guī)模化市場(chǎng)應(yīng)用。后續(xù)隨著產(chǎn)業(yè)鏈的完善，成本會(huì)有進(jìn)一步的下降空間。

我國(guó)釩儲(chǔ)量非常豐富，主要集中分布在四川攀枝花和河北承德等地區(qū)。在釩儲(chǔ)量方面，根據(jù)USGS數(shù)據(jù)，我國(guó)已探明釩儲(chǔ)量950萬(wàn)噸，約占全球總儲(chǔ)量的37.6%，位居全球第一。在釩制品產(chǎn)量方面，根據(jù)中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)大陸釩產(chǎn)量約為13.6萬(wàn)噸，占全球產(chǎn)量比例約65%，其中2021年四川攀西地區(qū)的釩產(chǎn)量為6.2萬(wàn)噸，約占全國(guó)釩產(chǎn)量的44%，占全球釩產(chǎn)量的30%。在釩資源的分布上，我國(guó)目前可提取的釩礦主要分布在四川攀枝花和河北承德，其中四川攀西地區(qū)的釩儲(chǔ)量最高，約占國(guó)內(nèi)已探明釩儲(chǔ)量的63%；其他地區(qū)如中核鈦白所在甘肅省，雖然也有分布，但以含釩石煤為主，資源利用率較差。

在釩資源的應(yīng)用方面，目前國(guó)內(nèi)95%以上的釩產(chǎn)品應(yīng)用在鋼鐵領(lǐng)域，2%應(yīng)用在釩儲(chǔ)能領(lǐng)域。從釩消費(fèi)領(lǐng)域來(lái)看，釩制品主要應(yīng)用于鋼鐵領(lǐng)域，約占90%以上。將釩應(yīng)用于鋼鐵鑄造領(lǐng)域，可顯著提高鋼鐵的強(qiáng)度、韌性和耐磨性；釩在鈦合金中可作為穩(wěn)定劑和強(qiáng)化劑，提高鈦合金的延展性和可塑性；在化工領(lǐng)域，釩是重要的化工原料和催化劑；在儲(chǔ)能領(lǐng)域，釩電解液是全釩液流電池的重要組件。隨著釩電池產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)行，對(duì)釩產(chǎn)品的需求有望快速增大，上游釩制品生產(chǎn)線需要進(jìn)一步的規(guī)模擴(kuò)大和技術(shù)升級(jí)改造。

現(xiàn)階段釩資源的開發(fā)和利用以釩鈦磁鐵礦煉鋼副產(chǎn)釩渣為主。我國(guó)釩資源主要為釩鈦磁鐵礦和含釩石煤，二者占比分別為52%，48%。不過(guò)由于石煤提釩的回收率低、環(huán)保壓力大生產(chǎn)成本高，目前我國(guó)釩資源的開發(fā)和利用以釩鈦磁鐵礦為主，在產(chǎn)釩原料占比中為90%左右。據(jù)國(guó)際釩技術(shù)委員會(huì)（Vanitec）統(tǒng)計(jì)，全球約有76%的釩來(lái)自中國(guó)、俄羅斯和新西蘭鋼廠的副產(chǎn)煉鋼釩渣；約13%的釩產(chǎn)量直接來(lái)自于釩鈦磁鐵礦，以南非的布什維爾德礦業(yè)公司和嘉能可公司、巴西的Largo資源公司為代表；約11%的釩由二次回收的含釩副產(chǎn)品（含釩燃油灰渣、廢化學(xué)催化劑等）及含釩石煤生產(chǎn)。

提釩工藝方面，現(xiàn)階段主要采用以釩渣為原料的鈉化焙燒提釩工藝。高爐－轉(zhuǎn)爐冶煉技術(shù)是一種傳統(tǒng)的冶煉釩鈦磁鐵礦精礦的方法。在整個(gè)高爐－轉(zhuǎn)爐冶煉釩鈦磁鐵礦的流程中，主要產(chǎn)生了三種爐渣，即含鈦高爐渣，釩渣和鋼渣。釩渣提釩工藝主要包括鈉化焙燒提釩工藝、鈣化焙燒提釩工藝、亞熔鹽提釩工藝、無(wú)鹽焙燒提釩工藝等，其中鈉化焙燒提釩工藝是目前應(yīng)用最廣泛、最傳統(tǒng)的提釩工藝。國(guó)內(nèi)以釩鈦磁鐵礦為原料生產(chǎn)釩制品的企業(yè)有釩鈦股份、建龍鋼鐵、承德釩鈦、川威集團(tuán)、德勝釩鈦等。

隨著儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)︹C需求的增大和提釩技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)石煤提釩在釩工業(yè)的應(yīng)用比例會(huì)逐步提高。相比釩鈦磁鐵礦煉鋼后的釩渣提釩（釩渣含釩量約為15%），石煤礦的釩含量偏低，僅為1%左右，且提釩成本明顯偏高，約為6~8萬(wàn)元/噸，所以現(xiàn)階段從事石煤提釩生產(chǎn)的多為中小型企業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2022年我國(guó)石煤提釩在產(chǎn)企業(yè)有14家，總產(chǎn)能約為1.4萬(wàn)噸，主要集中在陜西商洛、河南等地區(qū)。

鋼鐵行業(yè)用釩需求增量有限，釩電池產(chǎn)業(yè)化或帶動(dòng)釩消耗量迅速增加。2022年，房地產(chǎn)行業(yè)對(duì)鋼鐵需求持續(xù)下降，汽車、機(jī)械行業(yè)對(duì)鋼鐵需求保持增長(zhǎng)但增幅較小。根據(jù)中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2022年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量10.13億噸，同比下降2.1%，連續(xù)第二年下降。由于釩制品在鋼鐵領(lǐng)域的主要應(yīng)用為螺紋鋼等精鋼領(lǐng)域，未來(lái)釩在精鋼里的添加量有望進(jìn)一步提高，因此預(yù)計(jì)短期內(nèi)鋼鐵行業(yè)用釩不會(huì)明顯減少，也不會(huì)有大幅的增長(zhǎng)。

釩制品的供給相對(duì)剛性，未來(lái)產(chǎn)能增量較為有限。由于現(xiàn)階段釩產(chǎn)品主要來(lái)源于釩鈦磁鐵礦煉鋼后的釩渣提釩，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)政策嚴(yán)格控制鋼鐵產(chǎn)能，因此未來(lái)采用釩渣提釩工藝帶來(lái)的釩制品產(chǎn)能增量較為有限。石煤提釩工藝當(dāng)前成本偏高，約為8-10萬(wàn)元/噸，且現(xiàn)有工藝環(huán)保壓力較大，有待技術(shù)進(jìn)一步成熟降低成本。

當(dāng)前釩電池產(chǎn)業(yè)化仍處于初級(jí)階段，相關(guān)配儲(chǔ)政策有望進(jìn)一步出臺(tái)。由于當(dāng)前釩電池初始投資成本偏高，中小企業(yè)的投資意愿不強(qiáng)，現(xiàn)有的釩電池儲(chǔ)能項(xiàng)目多為地方政府的示范項(xiàng)目，建設(shè)和運(yùn)營(yíng)主體多為大型國(guó)有企業(yè)。而且現(xiàn)階段建設(shè)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站配置儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)多為2小時(shí)，而釩電池在大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域（如儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)4小時(shí)以上）優(yōu)于鋰電池，后續(xù)隨著電網(wǎng)側(cè)對(duì)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的需求不斷增大，相關(guān)配儲(chǔ)政策有望進(jìn)一步出臺(tái)，加速推動(dòng)釩電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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