釩氧化還原液流電池是一種以金屬釩離子為活性物質(zhì)的液體氧化還原再生電池。釩氧化還原液流電池是將+4、+5價釩離子溶液作為陰極電極的活性物質(zhì)，將+2、+3價釩離子溶液作為陽極電極的活性物質(zhì)，分別儲存在各自的電解質(zhì)儲存罐中。

釩液流電池充放電時，陰、陽極的電池電解液在離子交換膜兩側(cè)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。同時，通過反應(yīng)器外部泵的作用，儲液罐中的電解液不斷被送入陰極室和陽極室，以保持離子的濃度，實現(xiàn)電池的充放電。

 

釩氧化還原液流電池的優(yōu)點

安全性高、易擴容是最大的優(yōu)勢

液流電池的工作原理決定了它是目前電化學(xué)儲能技術(shù)路線中最安全的技術(shù)路線。與鋰電池不同的是，液流電池的電解質(zhì)是與電池堆分離的。由于釩氧化還原液流電池的電解質(zhì)離子存在于水溶液中，因此不會發(fā)生熱失控、過熱、燃燒和爆炸。同時，釩氧化還原液流電池支持頻繁充電和放電，一天可以充放電數(shù)百次。

液體電解質(zhì)使得過充和過放不會引起爆炸和電池容量下降。與鋰電池相比，釩氧化還原液流電池的水基電解質(zhì)特性使其不會燃燒和爆炸。釩電池在水溶液中使用化學(xué)上可逆的釩離子，其功能與電極結(jié)構(gòu)無關(guān)，所以即使在大電流下也非常靈活，不存在過充電的安全問題。

另一方面，釩氧化還原液流電池的功率和容量是相互獨立的，功率由電堆的規(guī)格和數(shù)量決定，容量則由電解液的濃度和步驟決定?？梢酝ㄟ^增加釩電解質(zhì)的容量來實現(xiàn)容量的擴大，所以在大容量的裝機規(guī)模上仍然是安全的。

 

 

釩氧化還原液流電池的電池堆與儲存電解液的儲罐分離，作為反應(yīng)發(fā)生的場所，從根本上克服了傳統(tǒng)電池的自放電現(xiàn)象。功率只取決于電池堆的大小，容量只取決于電解液的儲存和濃度，設(shè)計靈活。

當(dāng)功率恒定時，要增加儲能容量，只需增加電解質(zhì)儲罐的體積或增加電解質(zhì)的體積或濃度，而不需要改變電堆的尺寸。同時，可以通過增加電抗器功率和電抗器數(shù)量來提高功率，通過增加電解液來提高儲能功率，便于擴大電池規(guī)模，可用于建設(shè)千瓦至100兆瓦的儲能電站，適應(yīng)性強。

循環(huán)壽命長，基本全回收，全循環(huán)壽命成本低

釩電池的循環(huán)壽命長。釩氧化還原液流電池的陰極和陽極活性物質(zhì)分別存在于陰極和陽極電解液中。在充電和放電過程中沒有其他電池常見的相變，可以深度放電而不損壞電池。在充放電過程中，作為活性物質(zhì)的釩離子在電解液中只改變其價態(tài)，不與電極材料發(fā)生反應(yīng)，也不產(chǎn)生其他物質(zhì)。

長期使用后，仍能保持良好的活性。因此，釩電池的使用壽命很長。釩氧化還原液電池的充放電周期超過1萬次，有的可以達(dá)到2萬次以上。釩電池的全循環(huán)壽命成本已經(jīng)低于鋰電池。目前，釩氧化還原液流電池儲能的初始安裝成本較高，但由于釩電池的循環(huán)壽命長，從全循環(huán)壽命的角度看，釩氧化還原液流電池儲能的成本低于鋰電池。

我們用完整的投資數(shù)據(jù)比較了釩氧化還原液流電池項目和鋰電池儲能項目的成本。如果按照全循環(huán)壽命計算，釩氧化還原液流電池的成本為0.3-0.4元/小時，已經(jīng)低于鋰電池的成本（約0.5元/小時）。同時，釩電解質(zhì)溶液可以在電池壽命結(jié)束后被回收和再利用。

電解液的成本占儲能系統(tǒng)總成本的40%。儲能系統(tǒng)報廢后，其剩余價值相對較高。用于長期儲能的釩氧化還原液流電池的全循環(huán)壽命成本已經(jīng)具有競爭力。此外，釩電池仍處于產(chǎn)業(yè)化的初期階段，在技術(shù)進(jìn)步和大規(guī)模應(yīng)用后，成本仍有進(jìn)一步降低的空間。

 

 

中國釩資源產(chǎn)量和儲量世界第一，獨立可控

從資源角度看，中國的釩資源儲量和產(chǎn)量均居世界第一，發(fā)展釩電池所需資源可獨立控制。

● 資源儲量： 中國的釩資源量位居世界第一。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年底，全球釩金屬儲量為6300萬噸，其中已探明的滿足當(dāng)前開采和生產(chǎn)要求的釩金屬儲量超過2400萬噸。全球99%以上的釩儲量集中在中國、澳大利亞、俄羅斯和南非；中國的釩儲量約為950萬噸，占全球釩儲量的39%，位居世界第一。

● 釩的生產(chǎn)： 釩是完全自給自足的。中國的釩產(chǎn)量占世界總量的68%，資源可以完全自給自足。世界上生產(chǎn)釩的主要國家是中國、俄羅斯、南非和巴西。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，2021年全球釩產(chǎn)量為10.7萬金屬噸，其中中國將生產(chǎn)7.3萬噸，占68%。

● 釩的靜態(tài)可開采年限是相當(dāng)?shù)?。根?jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的統(tǒng)計，2021年全球釩產(chǎn)量約為10.7萬金屬噸（相當(dāng)于19.1萬噸五氧化二釩），全球釩資源的靜態(tài)可采壽命約為224年。

 

釩氧化還原液流電池的劣勢

釩電池的初始安裝成本是鋰電池的2倍以上

釩電池最大的缺點是初始安裝成本高，是鋰電池的2倍以上。根據(jù)釩電池項目的具體投資成本，項目總投資成本為3.8-6.0元/Wh；其中，4小時儲能系統(tǒng)成本為3.8-4.8元/Wh，2-3小時儲能系統(tǒng)成本略高，為4.65-6元/Wh，仍高于鋰電池。

釩電池快速發(fā)展或帶動釩價上漲

●新能源儲能發(fā)展迅速，釩氧化還原液流電池市場規(guī)模有望快速增長。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，全球已投運的儲能項目累計裝機容量為209.4GW，同比增長9%。其中，規(guī)模最大的是抽水蓄能，累計裝機容量約為180.5GW，占比86.2%，較2020年底下降4.1個百分點。

新型儲能（包括鋰離子電池、鉛蓄電池、鈉硫電池、壓縮空氣、液流電池、超級電容器和飛輪儲能等）累計裝機容量為25.4GW，同比增長67.7%，占比12.2%。在新能源儲能中，鋰離子電池仍占主導(dǎo)地位，占累計裝機容量的90.9%。到2021年底，中國累計裝機量為46.1GW，位居世界第一。其中，抽水蓄能的裝機容量為39.8GW，占86.3%。

 

 

新能源儲能累計裝機容量為5729.7MW，占比12.5%，熔鹽累計儲熱占比1.2%。在新能源儲能容量中，鉛酸電池VS鋰離子，鋰離子電池占89.6%，鉛酸電池占5.9%。而壓縮空氣儲能為3.2%，液流電池為0.9%，其他電化學(xué)儲能（超級電容器和飛輪儲能）占0.4%。

● 政策有助于儲能市場的發(fā)展。中國政府已出臺相關(guān)文件，在通往碳峰值和碳中和的道路上，要構(gòu)建安全、高效、清潔、低碳的能源體系，推動實現(xiàn)新型儲能的全面市場化發(fā)展。

● 釩氧化還原液流電池規(guī)模的快速增長，可能帶動釩的需求。2021年是我國儲能進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展的元年，100萬千瓦級別的釩氧化還原液流電池項目也正在建設(shè)中。據(jù)CNESA統(tǒng)計，2021年，全球液流電池（基本為釩氧化還原液流電池）在我國新能源儲能領(lǐng)域的滲透率達(dá)到0.9%。

受益于資源、安全、環(huán)保和政策的多重優(yōu)勢，隨著眾多大型釩電池項目的逐步實施，釩氧化還原液流電池的裝機容量將實現(xiàn)跨越式增長。按照保守和理想兩種方案，以及釩電池在新能源儲能中10%、20%、30%的滲透率，2026年釩電池的年裝機容量為1.48GW-7.06GW。

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)，2021年中國的金屬釩產(chǎn)能約為13.1萬噸。如果后續(xù)釩資源開發(fā)不盡如人意，或釩價明顯拉升，進(jìn)而影響釩氧化還原液電池電解液的成本。

 

能量密度和轉(zhuǎn)換效率低，對消耗品的維護(hù)要求高

● 能量密度和轉(zhuǎn)換效率低。釩氧化還原液流電池在工作時對環(huán)境溫度的要求很高，還需要泵來維持電解液的流動，因此其損耗較大，能量轉(zhuǎn)換效率低于鋰電池的70-75%。受釩離子溶解度和堆棧設(shè)計的限制，與其他電池相比，釩氧化還原液流電池的能量密度較低，只有12-40Wh/kg。

● 消耗品需要及時維護(hù)。石墨板應(yīng)被正極溶液所腐蝕。如果用戶操作得當(dāng)，石墨板可以使用兩年。如果用戶操作不當(dāng)，石墨板一次充電就可以完全腐蝕，堆積物只能報廢。在正常使用情況下，每兩個月需要由專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)。這種高頻率的維護(hù)是昂貴而費力的。

 

潛力： LDES是一個很好的用途

LDES是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵之一

隨著可再生能源滲透率的不斷提高，對儲能時間的需求也在增加。在全球不斷推進(jìn)碳中和的背景下，LDES（長時程儲能）是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵之一。在大力發(fā)展可再生能源的背景下，LDES在提高電力存儲能力、保障電力系統(tǒng)調(diào)峰和穩(wěn)定運行、以及極端情況下的電力供應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用。

 

 

● 增強電力儲存能力： 在雙碳目標(biāo)的背景下，火力發(fā)電等傳統(tǒng)化石能源的比例將逐步降低，可再生能源（光伏、風(fēng)能等）將逐步取代火力發(fā)電成為主要發(fā)電來源，LDES作為可再生能源的配套建設(shè)具有重要意義。

● 保證電力系統(tǒng)的調(diào)峰和安全穩(wěn)定： LDES可以在較長的時間維度上調(diào)節(jié)新能源發(fā)電的波動，具有周期長、容量大的特點，在清潔能源過剩時避免電網(wǎng)擁堵，在高峰負(fù)荷時釋放和增加電力供應(yīng)。

●極端情況下的電力補充： 由于不可抗力因素（野火、暴雨、洪水、嚴(yán)寒等自然災(zāi)害，主要能源供應(yīng)國之間的沖突等）造成的停電和能源供應(yīng)緊張，將導(dǎo)致全社會用電成本的增加。LDES可以保證極端情況下的電力供應(yīng)，保證全社會電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，降低電力成本。

 

流動電池在LDES領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用空間

目前，LDES仍處于研發(fā)和示范的初始階段。在各種解決方案中，抽水蓄能的建設(shè)規(guī)模比較大。抽水蓄能電站具有技術(shù)成熟、效率高、成本低等優(yōu)勢，已成為世界上儲能容量最大的解決方案。大型抽水蓄能電站可以提供低成本、可調(diào)度的電力，并因其快速響應(yīng)時間而成為電網(wǎng)穩(wěn)定的主要解決方案。

但是，抽水蓄能的最大局限性是場地限制、施工時間長和環(huán)境問題。從長遠(yuǎn)來看，由于動力電池產(chǎn)業(yè)的推動，電化學(xué)儲能不受地理環(huán)境的限制，處于相對有利的競爭地位。在電化學(xué)儲能方面，鋰離子電池、鈉硫電池、鈉離子電池和液流電池都有很大的應(yīng)用潛力；而釩氧化還原液流電池因其壽命長、易擴展，可用于LDES系統(tǒng)。

 

 

● 鋰離子電池：鋰電池的能量密度高，轉(zhuǎn)換效率高，在儲能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

● 鈉基電池：鈉硫電池有安裝的先例，鈉和硫的原料來源廣泛，但工藝要求很高，工作溫度約為300-350度，且鈉和硫的熔融狀態(tài)活性很大，存在一定的安全風(fēng)險。

但是，鈉離子電池具有安全、資源豐富、成本低等優(yōu)點，同時也存在循環(huán)次數(shù)少、電極材料副反應(yīng)影響電池壽命等缺點。目前，它們還沒有在儲能行業(yè)大規(guī)模推廣，其優(yōu)勢還有待驗證。

● 液流電池：液流電池具有安全性高、穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長、擴容能力強、可回收、環(huán)保等優(yōu)點，但也有初始安裝成本高的缺點。

基于液流電池安全穩(wěn)定性高、循環(huán)壽命長、擴容能力強、可回收和環(huán)保等優(yōu)點，預(yù)計液流電池在LDES領(lǐng)域?qū)⒂芯薮蟮膽?yīng)用空間，并將與抽水蓄能/氫能儲能和壓縮空氣儲能相競爭。

 

釩電池在液流電池中商業(yè)化速度較快

目前，液流電池路線主要包括釩氧化還原液流電池、鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、鋅鐵液流電池等20多條技術(shù)路線。目前，對前三種技術(shù)路線討論較多。釩氧化還原液流電池是一種相對成熟的液流電池商業(yè)化路線。釩氧化還原液流電池具有示范工程運行多年，產(chǎn)業(yè)鏈逐步形成，全壽命周期成本低的優(yōu)勢。它有望在長期儲能系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

● 多個示范項目的安全運行： 釩氧化還原液流電池在全球已運行多年，其產(chǎn)業(yè)化效果和可靠性驗證明顯高于鐵鉻液流電池和鋅溴液流電池。據(jù)相關(guān)資料顯示，2022年2月，全球最大的100MW釩氧化還原液流電池儲能削峰電站已在大連進(jìn)入單體模塊調(diào)試階段。

●整個產(chǎn)業(yè)鏈逐步形成： 釩氧化還原液流電池的電解液、隔膜、膜電極等原材料供應(yīng)鏈已初步形成，中國本土化進(jìn)程加快，已具備支撐百兆瓦項目設(shè)計開發(fā)的能力，產(chǎn)業(yè)配套更加成熟。

 

 

● 在整個循環(huán)壽命中的成本優(yōu)勢： 釩氧化還原液流電池的全循環(huán)壽命成本已經(jīng)低于鋰電池，具備大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的條件。

綜上所述，釩氧化還原液流電池具有安全性高、壽命長、容量擴展性強、效率高等優(yōu)點。我們看好全釩氧化還原液流電池在儲能應(yīng)用領(lǐng)域的潛力，特別是在長期儲能方向的應(yīng)用空間。

 

政策和技術(shù)促進(jìn)釩氧化還原液流電池成本下降

政策支持是推動釩電池發(fā)展的重要動力

● 為釩氧化還原液流電池的發(fā)展制定相關(guān)補貼政策?，F(xiàn)有的釩氧化還原液流電池項目大多是地方政府推動的示范項目，少部分是企業(yè)自主建設(shè)的項目。釩氧化還原液流電池的全周期壽命成本已經(jīng)低于鋰電池，但初期建設(shè)成本過高，導(dǎo)致企業(yè)投資積極性不高。未來或仍需在政府層面推動，并制定有效實施的價格補償機制和LDES產(chǎn)業(yè)政策。

● 加強資源開發(fā)，擴大鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能。由于我國主要的釩產(chǎn)量來自于釩鈦磁鐵礦煉鋼工藝中的釩渣，允許相應(yīng)的鋼鐵企業(yè)擴大產(chǎn)能也是增加釩資源來源的途徑之一。同時，也可以出臺支持釩資源開發(fā)的政策，增加中國釩資源的開發(fā)。

 

技術(shù)進(jìn)步有望繼續(xù)降低成本

整個釩電池儲能系統(tǒng)主要由電堆、電解液、逆變器、智能控制、儲罐、容器、管泵閥傳感器組成。釩電池最重要的核心部件是堆棧和電解質(zhì)。電解液一般由五氧化二釩組成，這也是整個釩電池系統(tǒng)中釩產(chǎn)品的主要用途。

 

 

據(jù)IRENA介紹，釩電池的成本主要分為三部分：反應(yīng)器、電解液和外圍設(shè)備成本。反應(yīng)器和電解液是主要成本，約占75%，釩電解液成本約占40%，反應(yīng)器成本約占35%，其他部件成本約占25%。

● 技術(shù)促使電抗器的成本不斷下降。鋰電池的成本在商業(yè)應(yīng)用后迅速下降，從1991年的7523元/千瓦時下降到2018年的181元/千瓦時。參照鋰電池的成本下降方式，可以預(yù)測，釩電池量產(chǎn)后成本仍有較大的下降空間。

釩氧化還原液流電池尚處于商業(yè)化初期，技術(shù)進(jìn)步帶來的成本下降空間較大。如通過減少膜材料的使用面積來降低電池的成本。

● 中國國內(nèi)生產(chǎn)材料的替代推動了成本的下降。隨著中國國產(chǎn)離子交換膜的逐步推廣，膜等產(chǎn)品仍有很大的成本下降空間。預(yù)計未來在其他堆積材料（雙極板、碳?xì)值龋┓矫嬉灿谐杀緝?yōu)化的空間。

 

釩的供應(yīng)和需求

供應(yīng)： 中國的釩儲量和產(chǎn)量居于世界首位

● 資源： 2021年，中國的釩產(chǎn)品儲量和產(chǎn)量比例將居世界第一。如上所述，到2021年底，中國的釩礦儲量將占世界總量的39%。2021年，中國的產(chǎn)量將占世界總量的68%，位居世界第一。

● 原材料和工藝： 釩鈦磁鐵礦是世界上的主要來源，而釩渣是中國的主要來源。雖然地殼中釩的豐度很高，但它主要與其他礦物形成共生或復(fù)合礦石，獨立的釩礦很少。中國以釩渣為原料生產(chǎn)釩，占釩渣原料的86.9%，而直接使用釩鈦磁鐵礦原料的只有0.3%。

 

 

由于環(huán)境問題，從石煤中提取釩的產(chǎn)出比例已經(jīng)下降了。石煤是一種低碳含量和低熱值的無煙煤，也是一種低品位多金屬共生礦。在中國的石煤資源中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60多種伴生元素。其中，釩可以形成工業(yè)礦床。

但是，石煤中釩的品位很低，五氧化二釩的含量多在0.8%以下。2017年以來，從石煤中提取釩的比例明顯下降。近年來，一些企業(yè)在工藝上取得了突破，實現(xiàn)了石煤綠色提釩。未來石煤提釩的生產(chǎn)比例可能會略有提高。

● 生產(chǎn)能力： 攀鋼集團(tuán)釩鈦及資源公司的產(chǎn)能是第一的。世界上70%以上的釩來自于副產(chǎn)品煉鋼釩渣。產(chǎn)能較大的釩生產(chǎn)企業(yè)主要有攀鋼集團(tuán)釩鈦及資源公司、俄羅斯Evraz公司、承德街、北京建龍重工等。其中，攀鋼集團(tuán)釩鈦資源公司的釩鈦生產(chǎn)能力為4萬噸/年，位居世界第一。

 

釩的應(yīng)用：90%以上應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)

釩是一種重要的合金元素，主要應(yīng)用于鋼鐵、鈦合金添加劑、化學(xué)催化劑和儲能領(lǐng)域。工業(yè)上常見的釩化合物包括VO、V2O3、V2O5、FeV鐵釩和NH4VO3偏釩酸銨。

● 鋼鐵： 金屬釩以釩鐵和釩氮合金的形式添加到鋼鐵生產(chǎn)中，以提高鋼的強度、韌性、延展性和耐熱性。含釩合金鋼具有高強度、高韌性和良好的耐磨性，被廣泛用于石油/天然氣管道、建筑、橋梁、鐵軌等的生產(chǎn)和建設(shè)。在釩的下游應(yīng)用中，鋼鐵工業(yè)所占比例最大，其消費量占釩消費量的90%以上。

● 鈦合金： 約2%的釩以鈦-鋁-釩合金的形式形成鈦合金。釩可作為鈦合金的穩(wěn)定劑和強化劑，使鈦合金具有良好的延展性和塑性。主要用于飛機發(fā)動機、航空航天機艙骨架、導(dǎo)彈、蒸汽輪機葉片、火箭發(fā)動機殼體等。此外，釩合金還可用于磁性材料、硬質(zhì)合金、超導(dǎo)材料和核反應(yīng)堆材料。

 

 

● 化學(xué)工業(yè)： 在化學(xué)工業(yè)中，釩主要用作制造硫酸和硫化橡膠的催化劑，也用于抑制發(fā)電廠的氧化亞氮的產(chǎn)生。其他化學(xué)釩產(chǎn)品主要用作催化劑、陶瓷著色劑、顯影劑、干燥劑等。

● 能源儲存： 目前，利用釩生產(chǎn)全釩氧化還原液流電池也已成為儲能行業(yè)的研究熱點。如果你想了解更多關(guān)于儲能行業(yè)的信息，你也可以閱讀我們網(wǎng)站上的文章五大儲能電池公司，以幫助你。在儲能行業(yè)，近年來釩氧化還原液流電池在清潔能源方面的研究取得了很大進(jìn)展。釩氧化還原液流電池在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、配電站、通信基站等領(lǐng)域具有廣闊的市場前景，并已應(yīng)用于商用儲能系統(tǒng)。