儲(chǔ)能市場(chǎng)高速增長(zhǎng)，新型儲(chǔ)能蓬勃發(fā)展
新型儲(chǔ)能方式介紹
新型儲(chǔ)能具有選址靈活、響應(yīng)快速等優(yōu)勢(shì)。按照存儲(chǔ)介質(zhì)的不同，儲(chǔ)能技術(shù)可劃分為電儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能等。新型儲(chǔ)能則是指除抽水蓄能以外的儲(chǔ)能技術(shù)，主要包括鋰電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、液流電池、氫(氨)儲(chǔ)能等。相對(duì)于抽水蓄能，新型儲(chǔ)能具有建設(shè)周期短、選址靈活、響應(yīng)快速、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)提供多時(shí)間尺度、全過程的調(diào)控能力。
政策+經(jīng)濟(jì)性雙輪驅(qū)動(dòng)，儲(chǔ)能迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)
全球新型儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。新型儲(chǔ)能近年來呈現(xiàn)高速發(fā)展態(tài)勢(shì)，根據(jù)CNESA數(shù)據(jù)，2022 年全球新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)量達(dá)到 45.8GW，同比增長(zhǎng)超80%;新增新型儲(chǔ)能裝機(jī)量為 20.4GW，同比增長(zhǎng)超 99%。截止 2022 年末，全球新型儲(chǔ)能項(xiàng)目中94%為鋰離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目、0.6%為液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，儲(chǔ)能可以分為電源側(cè)儲(chǔ)能、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、用戶側(cè)儲(chǔ)能等。根據(jù) CESA 數(shù)據(jù)，2021 年全球電化學(xué)儲(chǔ)能中電源側(cè)/電源側(cè)輔助服務(wù)/電網(wǎng)側(cè)/分布式及微網(wǎng)/用戶側(cè)等場(chǎng)景裝機(jī)規(guī)模占比分別為 30.9/32.1/26.6/4.2/6.2%。
表前儲(chǔ)能(電源側(cè)儲(chǔ)能(含輔助服務(wù))+電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能)：政策引領(lǐng)行業(yè)快速發(fā)展
中國(guó)：強(qiáng)制配儲(chǔ)政策刺激表前儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)展，商業(yè)模式演變優(yōu)化儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性。根據(jù) CNESA 數(shù)據(jù)，2022 年國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能新增裝機(jī)規(guī)模為7.3GW/15.9GWh，同比+200%/+280%;其中新增表前儲(chǔ)能裝機(jī)占比超 92%。儲(chǔ)能配置優(yōu)化新能源發(fā)電靈活性，強(qiáng)制配儲(chǔ)政策加快國(guó)內(nèi)表前儲(chǔ)能發(fā)展。從電源側(cè)來看，配置儲(chǔ)能能夠有效減少廢光廢風(fēng)率、平滑輸出功率曲線，提高新能源項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益;從電網(wǎng)側(cè)來看，儲(chǔ)能產(chǎn)品能夠有效參與電力市場(chǎng)輔助服務(wù)(包括調(diào)頻調(diào)峰、無功調(diào)節(jié)等)。 2021 年以來，國(guó)家在儲(chǔ)能政策上持續(xù)加碼。2021 年8 月發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于鼓勵(lì)可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購買調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模的通知》，鼓勵(lì)發(fā)電企業(yè)自建儲(chǔ)能或調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模，超過電網(wǎng)企業(yè)保障性并網(wǎng)以外的規(guī)模初期按照功率 15%的掛鉤比例(時(shí)長(zhǎng) 4 小時(shí)以上)配建調(diào)峰能力，按照20%以上掛鉤比例進(jìn)行配建的優(yōu)先并網(wǎng)，國(guó)家強(qiáng)制配儲(chǔ)政策正式推出。隨后各地方政府分別推出相應(yīng)配儲(chǔ)政策，國(guó)內(nèi)表前儲(chǔ)能市場(chǎng)進(jìn)入快速發(fā)展期。
商業(yè)模式優(yōu)化，增益儲(chǔ)能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。在強(qiáng)配政策背景下，各地方政府紛紛提出政策補(bǔ)貼優(yōu)化儲(chǔ)能項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，共享儲(chǔ)能等商業(yè)模式的提出，通過服務(wù)多個(gè)發(fā)電項(xiàng)目的模式，減少新能源項(xiàng)目初始建設(shè)資本開支、提高資源利用效率，優(yōu)化配儲(chǔ)經(jīng)濟(jì)性。 美國(guó)：補(bǔ)貼激勵(lì)行業(yè)發(fā)展。根據(jù) CNESA 數(shù)據(jù)，2022 年美國(guó)新型儲(chǔ)能新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)到近 4.9GW，同比+39%;其中表前儲(chǔ)能裝機(jī)占比超90%。聯(lián)邦政策和地方政策對(duì)行業(yè)發(fā)展具有積極影響。2022 年 8 月，美國(guó)正式發(fā)布IRA 法案，針對(duì)儲(chǔ)能提出延長(zhǎng) ITC 稅收抵免有效時(shí)間且放寬抵免要求：1)抵免有效期延長(zhǎng)：此前版本2022年抵免比例開始滑坡，現(xiàn)行版本 2033 年之后再滑坡。2)抵免力度增加：稅收抵免由基礎(chǔ)抵免+額外抵免構(gòu)成，其中基礎(chǔ)抵免額度由過去最高的26%提升至30%、結(jié)合額外抵免后最高可抵免稅收的 70%。3)獨(dú)立儲(chǔ)能納入ITC 補(bǔ)貼范圍。
用戶側(cè)儲(chǔ)能：剛需+電價(jià)高企助推發(fā)展
國(guó)內(nèi)峰谷價(jià)差拉動(dòng)工商業(yè)儲(chǔ)能發(fā)展。據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2023年7月全國(guó)各地代理電價(jià)峰谷價(jià)差均值為 0.76 元/KWh，高于2022 全年價(jià)差0.70/kWh，與 2023 年 6 月價(jià)差相比略有上漲;已有 18 個(gè)地區(qū)峰谷價(jià)差達(dá)到工商業(yè)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性的門檻價(jià)差 0.70 元/kWh。隨著部分區(qū)域的尖峰電價(jià)機(jī)制建立，給工商業(yè)儲(chǔ)能帶來了更大應(yīng)用空間。
戶儲(chǔ)市場(chǎng)高速增長(zhǎng)，美國(guó)&歐洲引領(lǐng)發(fā)展。根據(jù) EV Tank 數(shù)據(jù)，2022 年全球戶用儲(chǔ)能新增裝機(jī)量為 15.6GWh，同比+136%;其中歐洲占比高達(dá)36%以上。
電價(jià)偏高+用電穩(wěn)定性推動(dòng)戶儲(chǔ)市場(chǎng)發(fā)展：1)災(zāi)害頻發(fā)下用電穩(wěn)定性需求推動(dòng)戶儲(chǔ)發(fā)展。美國(guó)的電力設(shè)施相對(duì)老舊且各州電網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立，相互之間難以調(diào)度協(xié)同，在颶風(fēng)、暴風(fēng)雪等自然災(zāi)害頻發(fā)影響下，居民會(huì)遇到用電中斷等問題。戶儲(chǔ)能夠有效保障居民用電的穩(wěn)定性。2)居民用電偏高，戶儲(chǔ)經(jīng)濟(jì)性明顯。近年來通貨膨脹影響下能源價(jià)格持續(xù)居高不下，海外居民電價(jià)高、上網(wǎng)電價(jià)低，政策給予稅收優(yōu)惠及資金補(bǔ)貼下戶儲(chǔ)具有較高經(jīng)濟(jì)性。
我們預(yù)計(jì) 2023 年全球新型儲(chǔ)能裝機(jī)有望達(dá)到 133GWh，2026 年全球新型儲(chǔ)能新增裝機(jī)量有望達(dá)到 810GWh，2023-2026 年均復(fù)合增速達(dá)到82%。分地區(qū)來看，2026 年美國(guó)/歐洲/中國(guó)新增裝機(jī)量分別為197/185/310GWh;分應(yīng)用場(chǎng) 景 來 看 ， 表 前 儲(chǔ) 能 / 工 商 業(yè) 儲(chǔ) 能 / 戶 用 儲(chǔ)能2026 年新增裝機(jī)分別為548/75/187GWh。
釩電池兼具靈活與安全，是儲(chǔ)能的可靠手段
釩電池基本結(jié)構(gòu)與特性
全釩液流電池(簡(jiǎn)稱釩電池)是以釩為活性物質(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的電池。釩電池工作原理為使用外接泵把電解液壓入電堆體內(nèi)，在機(jī)械動(dòng)力作用下電解液在不同的儲(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)、流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，隨后雙電極板收集和傳導(dǎo)電流，從而使得儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。
釩電池最早由 A.Pellegri 等人于 1978 年提出，1988 年開啟工程化發(fā)展，目前日本、中國(guó)、澳大利亞、加拿大、美國(guó)等處于全球技術(shù)第一梯隊(duì)。當(dāng)前下游需求未打開，釩電池裝機(jī)規(guī)模較小，截至2022 年底全球液流電池(以釩液流電池為主)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為 274.2MW，在全球新型儲(chǔ)能中占比0.6%。其中中國(guó)液流電池累計(jì)裝機(jī)為 157.2MW，在國(guó)內(nèi)新型儲(chǔ)能中占比1.2%。
釩電池系統(tǒng)主要由功率單元、能量單元、電解液輸送系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能逆變器等組成，其中功率單元和能量單元是核心構(gòu)件。功率單元-電堆主要由離子膜、電極、密封墊、電極框、雙極板等構(gòu)成。電堆是系統(tǒng)的重要部件，是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的主要場(chǎng)所，其數(shù)量和大小影響了釩電池功率。能量單元-電解液是不同價(jià)態(tài)的釩離子水溶液(正極為+4/+5 價(jià)，負(fù)極為+2/+3價(jià))，其分別存儲(chǔ)在正負(fù)極儲(chǔ)液罐中。電解液的體積和濃度決定了釩電池的儲(chǔ)能容量。
釩電池中電解液與電堆的成本占比較高。電解液一次成本占總成本的35%，其中五氧化二釩占電解液成本 60%左右(V2O5按 13 萬元/噸計(jì)算)。電堆成本占總成本的 35%，而電堆成本中 55%來自于離子傳導(dǎo)膜。其他裝置(如管路與控制系統(tǒng)、循環(huán)泵等)占總成本的 30%。
釩電池高安全、長(zhǎng)壽命、靈活性高，是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的有效方式
釩電池安全穩(wěn)定，契合儲(chǔ)能電站對(duì)安全性的高要求。據(jù)CNESA 不完全統(tǒng)計(jì)，2022年全球共發(fā)生了 18 起儲(chǔ)能安全事故，百兆瓦級(jí)的事故項(xiàng)目數(shù)明顯多于往年。2022年，國(guó)家能源局在《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求(2022 年版)(征求意見稿)》中提出中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站禁用三元鋰電池和鈉硫電池，對(duì)儲(chǔ)能電站安全性進(jìn)行更高要求。 鋰離子電池內(nèi)部短路、熱失控進(jìn)而導(dǎo)致有機(jī)電解液分解、氣化、燃燒，是鋰電電站起火爆炸的主要原因。而釩電池的電解液是水溶液，具有本征安全性;同時(shí)循環(huán)流動(dòng)的工作方式還能幫助電池系統(tǒng)快速散熱，安全性高。
釩電池安裝靈活、建設(shè)周期短、壽命長(zhǎng)，有望成為有效的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方式。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能一般是指可以持續(xù)充放電 4 小時(shí)以上的儲(chǔ)能技術(shù)，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能等。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能側(cè)重于解決峰谷時(shí)期供需匹配等經(jīng)濟(jì)性問題，能夠提升新能源消納能力。 與抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)相比，釩電池不受地理和地質(zhì)條件約束、選址靈活，且項(xiàng)目建設(shè)周期短、對(duì)環(huán)境影響較小，在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域前景廣闊。
釩電池功率與容量單元相互獨(dú)立，成本能夠伴隨儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)而有效攤銷，與長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能具有較高契合度。釩電池輸出功率由電堆決定，儲(chǔ)能容量由電解液決定，兩者互相獨(dú)立;功率可以通過增加電堆數(shù)量來提升、容量可以通過提升電解液濃度與體積來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在功率不變的情況下，增加儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)能夠攤銷功率單元成本，從而使得單 Wh 明顯下降。
當(dāng)前釩電池商業(yè)化應(yīng)用面臨一些障礙：1)電池合適的工作溫區(qū)在5-40℃，相對(duì)較窄;2)能量密度低，體積較大;3)初始投資額高，根據(jù)融科儲(chǔ)能數(shù)據(jù)，釩電池系統(tǒng)初始投資成本在 2.1-7.5 元/Wh，顯著高于磷酸鐵鋰電池(1.0-1.5元/Wh)。未來伴隨優(yōu)化電解液配方、改進(jìn)電堆材料等方式出現(xiàn)，釩電池電化學(xué)性能有望進(jìn)一步優(yōu)化;同時(shí)伴隨儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的增加和規(guī)模效應(yīng)的增益，釩電池的經(jīng)濟(jì)性有望改善。
政策持續(xù)加碼，釩電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速
各國(guó)政府積極推出政策，支持釩電池行業(yè)發(fā)展。釩電池憑借靈活性、安全性等優(yōu)勢(shì)，在長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域有望成為重要的儲(chǔ)能方式，故而獲得各國(guó)政府政策的積極支持。中國(guó)從總體規(guī)劃、實(shí)施細(xì)節(jié)、安全規(guī)范等多方面積極推出細(xì)則，加快釩電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
國(guó)內(nèi)廠商釩電池積極布局，項(xiàng)目招標(biāo)量逐步提升。中國(guó)的液流電池研究起步較早，已經(jīng)涌現(xiàn)出大連融科、北京普能等主攻釩液流電池的企業(yè)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2023年初至 7 月中旬，國(guó)內(nèi)已簽約釩液流儲(chǔ)能項(xiàng)目 15 個(gè)，合計(jì)裝機(jī)功率達(dá)3.6GW;國(guó)內(nèi)已招標(biāo)釩液流電池系統(tǒng)項(xiàng)目 8 個(gè)，合計(jì)招標(biāo)功率超過109MW。
2026 年液流電池新增裝機(jī)量有望達(dá)到19.6GWh
隨著全球能源轉(zhuǎn)型，可再生能源的滲透率提升帶動(dòng)新型儲(chǔ)能的發(fā)展，特別是可再生能源大基地的建設(shè)帶動(dòng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的應(yīng)用，我們預(yù)計(jì)2023 年全球液流電池行業(yè)進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展的元年，2023 年全球新增裝機(jī)有望達(dá)到1.7GWh，2026 年全球液流電池新增裝機(jī)量有望達(dá)到 19.6GWh，2023-2026 年均復(fù)合增速達(dá)到125%。
產(chǎn)業(yè)鏈：電堆與電解液是核心組成部分
釩資源：國(guó)內(nèi)儲(chǔ)量豐富，釩產(chǎn)能充足
中國(guó)釩資源儲(chǔ)量豐富，可實(shí)現(xiàn)自給自足。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)，2022年中國(guó)釩資源(折金屬釩)儲(chǔ)量約 950 萬噸，占全球釩總儲(chǔ)量的36.5%，位列全球第一。2022 年中國(guó)金屬釩產(chǎn)量約為 7 萬噸，同比-0.4%;占全球總產(chǎn)量的70%，位列全球第一。國(guó)內(nèi)具有豐富的釩資源儲(chǔ)量和生產(chǎn)能力，能夠支撐下游各種應(yīng)用場(chǎng)景的持續(xù)發(fā)展。
金屬釩的主要生產(chǎn)方式包括：1)釩鈦磁鐵礦經(jīng)鋼鐵冶金加工得到釩渣提釩，其是目前最主要的生產(chǎn)方式，約貢獻(xiàn)了國(guó)內(nèi) 85-90%左右的釩產(chǎn)量;2)含釩副產(chǎn)品及含釩石煤生產(chǎn);3)直接來自于釩鈦磁鐵礦。 國(guó)內(nèi)釩生產(chǎn)行業(yè)市場(chǎng)集中度相對(duì)較高。2021 年國(guó)內(nèi)五氧化二釩產(chǎn)能約17.14萬噸(折合金屬釩產(chǎn)能為 9.6 萬噸)，其中釩鈦股份、河鋼股份、成渝釩鈦分別以4.0/2.2/2.0 萬噸的年產(chǎn)能排名前三，CR3 為 47.8%。
釩目前主要應(yīng)用在鋼鐵領(lǐng)域，釩電池的持續(xù)放量有望帶來釩需求的可觀增量。釩的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括鋼鐵、化工、鈦合金及釩電池儲(chǔ)能等，其中鋼鐵領(lǐng)域用釩占比超過 80%。 2022 年在國(guó)內(nèi)釩電池蓬勃發(fā)展，其在國(guó)內(nèi)消耗約 9000 噸五氧化二釩，同比+80%以上，在國(guó)內(nèi)釩資源消費(fèi)比例達(dá)到 8.2%，同比+4pct。我們假設(shè)2026 年全球釩液流電池裝機(jī)達(dá)到 19.6GWh，對(duì)應(yīng)五氧化二釩需求約為15.7 萬噸(折金屬釩8.8萬噸)，為釩需求帶來可觀增量。
五氧化二釩價(jià)格對(duì)于釩電池電解液成本影響顯著。根據(jù)大連融科數(shù)據(jù)，1GWh釩電池對(duì)應(yīng)電解液需要 8000 噸的五氧化二釩。如果五氧化二釩價(jià)格增加1 萬元/噸，那么電解液成本將增加 0.08 元/Wh。
離子膜：國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)
離子膜是電堆的核心部件，其性能影響了釩電池的容量穩(wěn)定性與壽命。釩電池中離子膜主要起著阻止正負(fù)極活性物質(zhì)互混、傳導(dǎo)氫離子的作用。離子膜需要具備：1)良好的導(dǎo)電性，2)較優(yōu)的機(jī)械性能，3)高離子選擇性，4)良好化學(xué)穩(wěn)定性等。離子膜的性能將會(huì)直接影響釩電池的穩(wěn)定性、壽命等。
離子膜根據(jù)原理差異通?？梢苑譃殡x子交換膜和多孔離子傳導(dǎo)膜。離子交換膜是通過離子交換基團(tuán)的選擇性傳導(dǎo)氫離子，而多孔離子傳導(dǎo)膜是利用膜孔徑實(shí)現(xiàn)氫離子的篩分和傳導(dǎo)。
全氟磺酸膜是目前釩電池中最常用的離子膜，但目前主要依賴進(jìn)口。PSVE單體(全氟磺?；蚁┗?與四氟乙烯共聚制成全氟磺酸樹脂，樹脂熔融擠出或流延之后即可得到全氟磺酸膜。全氟磺酸膜憑借其良好的導(dǎo)電性以及出色的穩(wěn)定性，成為目前在釩電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最廣泛的離子膜。 全氟磺酸膜行業(yè)的核心壁壘在于：1)PSVE 單體(全氟磺?；蚁┗?制備反應(yīng)條件苛刻(需無水、惰性氣體保護(hù)等條件)且專利保護(hù)完全;2)四氟乙烯易爆炸、運(yùn)輸難度大，生產(chǎn)全氟磺酸樹脂的企業(yè)多需要具有四氟乙烯自供能力;3)聚合復(fù)雜度高，全氟磺酸樹脂需要 PSVE 單體、四氟乙烯、六氟丙烯等進(jìn)行多元聚合，反應(yīng)條件控制難度大;4)成膜技術(shù)要求高、工序繁瑣，部分環(huán)節(jié)專利被海外企業(yè)把控。 據(jù)高工氫電統(tǒng)計(jì)，2021 年中國(guó)液流電池國(guó)產(chǎn)膜占比為23.1%，進(jìn)口膜占比為76.9%。而科慕(原杜邦)的 Nafion 膜在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額高達(dá)75%。
國(guó)內(nèi)企業(yè)加速全氟磺酸膜國(guó)產(chǎn)化，并且積極進(jìn)行其他離子膜探索。國(guó)內(nèi)企業(yè)全氟磺酸膜的性能持續(xù)提升，有望憑借性價(jià)比優(yōu)勢(shì)加速進(jìn)口替代。目前，蘇州科潤(rùn)、東岳未來氫能等在國(guó)產(chǎn)化方面進(jìn)展領(lǐng)先，億華通旗下上海神力、國(guó)潤(rùn)儲(chǔ)能等均積極加快產(chǎn)品研發(fā)與布局。 而中國(guó)科學(xué)院大連化物所等也持續(xù)加快在多孔離子傳導(dǎo)膜等領(lǐng)域研究，現(xiàn)已完成電池系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證。
電極：碳素類材料為主流路線，國(guó)內(nèi)企業(yè)配套能力強(qiáng)
電極主要為活性物質(zhì)提供反應(yīng)場(chǎng)所，是電堆的重要組成部分。與鋰離子電池不同，釩電池的電極不含活性物質(zhì)，只為活性物質(zhì)提供電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，其自身也并不參與反應(yīng)。電極通常具備電導(dǎo)率高、機(jī)械性能好、耐強(qiáng)酸腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好等性能，主要電極材料包括金屬類電極、碳素類電極等。碳素類電極碳?xì)?石墨氈是目前釩電池電極主流方案。金屬電極雖然導(dǎo)電性好、機(jī)械性能好，但是部分金屬電極電化學(xué)可逆性差、且整體成本較高，故而并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。碳素類電極，特別是碳?xì)?石墨氈，憑借制備工藝成熟、導(dǎo)電性能優(yōu)、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)以及成本低，成為目前釩電池主要電極材料。碳紙較碳?xì)?石墨氈厚度更薄，可使得電堆各部件更加緊湊，更利于實(shí)現(xiàn)小型化、從而提升電池功率密度;其有望成為下一代電極材料。
電極主要依托國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)。碳?xì)?石墨氈均為碳纖維材料，二者是燒制溫度不同的產(chǎn)品，石墨氈燒制溫度更高、含碳量更高。國(guó)內(nèi)主要的碳?xì)?石墨氈生產(chǎn)企業(yè)包括江油潤(rùn)生、遼寧金谷、江蘇普向等。而碳紙由于制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)企業(yè)多以日本東麗、加拿大 Ballard、德國(guó) SGL、美國(guó) AvCarb 等國(guó)外企業(yè)為主。
雙極板：電堆重要結(jié)構(gòu)件
雙極板是釩電池電堆的重要結(jié)構(gòu)件，主要功能為隔離正負(fù)極電解液、匯集電流和支撐電極等。雙極板通常需具備高導(dǎo)電性、高機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕等性能，目前主要包含石墨雙極板、金屬雙極板、碳塑復(fù)合雙極板等技術(shù)路線。
小型電堆多使用改性石墨雙極板，大功率電堆多使用碳塑復(fù)合雙極板。改性石墨雙極板導(dǎo)電性好、耐腐蝕、價(jià)格低廉且技術(shù)成熟，但是裝配時(shí)易碎，只適合用于小型電堆。碳塑雙極板電導(dǎo)率高、強(qiáng)度高，主要用于大功率電堆中。石墨雙極板的主要生產(chǎn)企業(yè)包括華熔科技、上海弘楓、開封時(shí)代等;碳塑雙極板主要生產(chǎn)企業(yè)為嘉興納科等。此外，中國(guó)科學(xué)院大連化物所也開發(fā)出新一代高導(dǎo)電、高韌性、可焊接的碳塑復(fù)合雙極板，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
電堆：釩電池核心功率單元
電堆的數(shù)量與大小決定了釩電池的功率水平。單電池主要由離子膜、電極、密封墊、電極框、雙極板等組成。電堆則是將多個(gè)單電池采用壓濾機(jī)的方式疊合緊固，而后通過焊接等工序制備而成。大功率的釩電池可以通過增加電堆數(shù)量或者增大電堆電極的面積來實(shí)現(xiàn)功率提升。 電堆制造企業(yè)往往需要將各類耗材、電子元器件等裝配到一起，特別是大功率電堆，對(duì)于疊合裝配的技術(shù)和工藝經(jīng)驗(yàn)要求更高，行業(yè)具有較高的壁壘。
電堆降本的主要手段：1)通過優(yōu)化電極材料性能等方式，提升電堆功率密度;2)優(yōu)化電堆組裝工藝，如依托激光焊接技術(shù)將離子膜與電極框直接密封、減少密封墊使用來降低成本。 目前釩電池系統(tǒng)企業(yè)多進(jìn)行電堆自產(chǎn)。釩電池系統(tǒng)主要由電堆、電解液、儲(chǔ)液罐、電池管理系統(tǒng)、逆變器等組成;電解液和電堆是核心構(gòu)件。電池管理系統(tǒng)、逆變器等產(chǎn)品多由鋰電儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)鏈中相關(guān)企業(yè)直接提供。因此，國(guó)內(nèi)目前多數(shù)釩液流電池企業(yè)在產(chǎn)業(yè)化初期，多采用電堆自產(chǎn)的方式來控制成本和優(yōu)化功率性能。目前國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的電堆生產(chǎn)企業(yè)包括融科儲(chǔ)能、北京普能、上海電氣等。
電解液：核心能源單元，殘值高回收價(jià)值大
電解液釩離子濃度決定了釩電池系統(tǒng)的能量密度。電解液是不同價(jià)態(tài)的釩離子水溶液(正極為+4/+5 價(jià)，負(fù)極為+2/+3 價(jià))，其分別存儲(chǔ)在正負(fù)極儲(chǔ)液罐中。電解液常見支撐電解質(zhì)包括：鹽酸、硫酸、鹽酸-硫酸混酸。理論上1kWh 釩電池需要5.6kg 的 V2O5，但由于電解液實(shí)際利用率僅在 70%左右，故而實(shí)際生產(chǎn)中1kWh釩電池往往需要 8kg 的 V2O5。 電解液的制備方式包括：1)物理法：將高純 VOSO4直接溶解于硫酸溶液，該方法操作簡(jiǎn)單，但是 VOSO4成本高、且電解液釩離子濃度較低，使得電池能量密度較差。2)化學(xué)還原法：使用還原劑將 V2O5還原成易溶于水的VOSO4或混合價(jià)態(tài)的釩離子，再溶解于酸中。該方法操作及設(shè)備簡(jiǎn)單，但是操作較復(fù)雜且容易引入雜質(zhì)元素。3)電解法：將 VOSO4或 V2O5在酸溶液中進(jìn)行電解還原得到低價(jià)的釩離子溶液，該方法工藝簡(jiǎn)單、且具有產(chǎn)業(yè)化可行性，但是設(shè)備復(fù)雜。目前電解法與化學(xué)還原法是主流的電解液制備方式。 電解液發(fā)展趨勢(shì)：1)高濃度電解液能夠提升能量密度。2)高穩(wěn)定性電解液能夠避免電池使用中較快產(chǎn)生沉淀，提高電池效率;同時(shí)減少系統(tǒng)的熱管理負(fù)荷，降低成本。3)高活性的電解液能夠提高傳質(zhì)速度，提高電解液利用率。電解液性能改善方式主要包括：1)優(yōu)化支撐電解質(zhì)組分，通過添加鹽酸等方式提高釩離子溶解度;2)增加添加劑，優(yōu)化電解液穩(wěn)定性或提升電解液電化學(xué)活性。
電解液殘值高，可回收利用。釩電池電解液反應(yīng)過程中無明顯損耗，電解液的殘值可以做到原有的 70%。我們假設(shè)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為 4h 的釩電池系統(tǒng)初始建設(shè)成本為3元/Wh，其中電解液成本為 1.5 元/Wh、其他零部件成本為1.5 元/Wh(折合6元/W);那么使用后回收電解液殘值為 1.05 元/Wh，其他金屬假設(shè)殘值為0.075 元/Wh(折合 0.3 元/W)的話，那么 4h 的釩電池系統(tǒng)實(shí)際投資成本為1.875 元/Wh，名義初始投資成本下降 38%。同時(shí)更高儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的系統(tǒng)實(shí)際單Wh 投資成本下降幅度更大。由此企業(yè)可以通過電解液租賃等商業(yè)模式降低初始投資成本，以此降低電池系統(tǒng)投資成本。
精選報(bào)告來源：未來智庫
報(bào)告出品方：國(guó)信證券，作者：王蔚祺、李全、陳抒揚(yáng)
評(píng)論