中國儲能網訊：在“雙碳”目標指引下，我國新能源產業(yè)迎來了高速發(fā)展的新時期。以光伏和風電為代表的可再生能源，正迅速改變著我們的能源格局。隨著可再生能源發(fā)電并網比例快速提升，電力系統(tǒng)“雙側隨機性”和“雙峰雙高”的“三雙”特征日益顯著，電網面臨消納壓力和運行安全挑戰(zhàn)。
為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經濟調度以及電能的高質量，進一步形成可控制、可調度的電網，電力系統(tǒng)需要配置儲能，使可再生能源成為更友好的優(yōu)質新型能源。
隨著可再生能源滲透率逐步提升，光伏和風電等可再生能源發(fā)電“時間+空間”錯配問題逐漸凸顯，進一步催生電力系統(tǒng)的長時儲能調度需求。長時儲能（持續(xù)放電時間4h以上的儲能技術）可以提升可再生能源發(fā)電消納能力，并有效降低電力系統(tǒng)消納壓力和運行成本。而具備材料本征安全性高、循環(huán)壽命長、電解液可循環(huán)利用、生命周期性價比高、環(huán)境友好等優(yōu)勢的全釩液流電池（以下簡稱“釩電池”），或將在長時儲能領域脫穎而出。
儲能，新能源浪潮中的不可或缺
近年來，人們對可再生能源的需求愈發(fā)迫切。光伏、風電等可再生能源正以其獨特的優(yōu)勢和巨大的潛力，引領著未來能源革命的腳步。隨著電網中可再生能源的占比不斷提高，電池儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System，簡稱BESS）將在可再生能源供應與電網負荷之間扮演日益關鍵的角色，成為加速可再生能源替代傳統(tǒng)化石燃料不可或缺的技術。
按照儲能原理和技術的不同，儲能技術可劃分為電儲能、熱儲能和氫儲能三大類。其中除抽水蓄能外的儲能技術行業(yè)統(tǒng)稱為新型儲能，主要包括鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、氫（氨）儲能等。相對于抽水蓄能，新型儲能普遍具有建設周期短、選址靈活、響應快速、調節(jié)能力強等優(yōu)勢，能夠為電力系統(tǒng)提供更多時間尺度的調控能力。
圖1：儲能技術分類 資料來源：上海派能能源科技股份有限公司招股說明書、公開資料整理，天風天睿制圖
風光等可再生能源出力波動大且伴有不確定性。
從風光日內出力及電網負荷峰谷來看，風電一般日間出力低、夜晚出力高，光伏發(fā)電午間出力高、夜晚不再出力，而日用電負荷呈現(xiàn)早晚兩個高峰，風光出力峰值時期凈負荷高峰明顯減小，凈負荷呈現(xiàn)顯著“鴨子曲線”特征，負荷波動性顯著增加。
從季節(jié)性風光出力及電網負荷峰谷來看，風電出力高峰為春、秋兩季，光伏發(fā)電高峰為夏、秋兩季（白天），冬、夏季尤其是夜晚負荷電量高而可再生能源發(fā)電量低，電網負荷“冬夏”雙高峰特征明顯，難以匹配可再生能源發(fā)力存在的季節(jié)性。
而從可再生能源出力及電網負荷地理位置分布來看，國內光伏資源及風能主要分布于東北、華北、西北地區(qū)，但用電負荷高的地區(qū)主要為東部地區(qū)，遠距離傳輸對電網穩(wěn)定性及調峰能力提出了更高要求。
圖2：最佳儲能時長與風光滲透率關系 圖源：Albertus P , Manser J S , Litzelman S .Long-Duration Electricity Storage Applications, Economics, and Technologies[J].Joule, 2020, 4(1):21-32.DOI:10.1016/j.joule.2019.11.009.
隨著可再生能源滲透率提升，風光等可再生能源發(fā)電“時間+空間”錯配問題日益凸顯，催生長時儲能需求。
風光等可再生能源的滲透率越高，對長時儲能的需求越高。此外，與短時儲能相比，長時儲能兼具快速響應調節(jié)和長期輸出平衡電網負荷的作用。
2022年1月，國家發(fā)改委、能源局印發(fā)《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》，提出到2025年實現(xiàn)氫儲能、熱（冷）儲能等長時間尺度儲能技術突破；加大液流電池、鈉離子電池等關鍵技術裝備研發(fā)力度。根據全國能源信息平臺數(shù)據，截至2023年11月底，國內超過20個省市地區(qū)已明確新能源配儲要求，平均配儲時長已突破2小時，其中上海、西藏、福建、內蒙古、河北、甘肅河西等地區(qū)要求或規(guī)劃配儲時長已突破4小時；國內簽約4小時以上儲能項目已超20個，包含壓縮空氣儲能、液流電池、重力儲能等多種技術路線。
在海外，2022年底，美國能源部（DOE）宣布儲能時間達到10-24小時的長時儲能系統(tǒng)示范項目將有資格獲得總額為3.49億美元資金資助，以此支撐美國低成本、可靠、無碳的現(xiàn)代化電網建設。2022年2月，為支持英國的創(chuàng)新性長時儲能技術項目，英國商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部(BEIS)宣布撥款3960萬英鎊，首批篩選出的24個項目覆蓋綠氫電解槽、重力儲能、全釩液流電池、壓縮空氣儲能、海水+壓縮空氣聯(lián)合儲能等技術路線。
隨著海內外長時儲能政策和項目接連落地，全球新型儲能市場規(guī)模持續(xù)增長。據數(shù)據顯示，截至2023年6月底，國內儲能項目累計裝機達70.2GW，同比增長44%；其中新型儲能裝機為21.06GW、占比達30.9%；抽水蓄能裝機為48.51GW、占比為69.1%，同比下降約10%。新型儲能裝機中，鋰電池占據主流，占比達95.9%，液流電池占比為0.8%。目前液流電池在儲能市場的滲透率仍然較低，隨著政策對儲能安全重視度提升及儲能規(guī)劃趨向于長時，釩電池或將在新型儲能市場中加速滲透。
圖3：2023年6月國內累計儲能裝機構成 資料來源：天風天睿制圖
釩電池，液流電池的優(yōu)勝者
液流電池技術最早可追溯到1884年，法國工程師Charles Renard為軍用飛艇研發(fā)出了原始的鋅氯電池，當時尚未配備現(xiàn)代液流電池的核心組件——流體驅動系統(tǒng)。隨著1950年代隔膜的問世，液流電池技術開始萌芽。其演化歷程大致分為三個階段：
■ 萌芽期
1974年，美國航空航天局（NASA）的科學家塞勒（L.H.Thaller）試圖探索用于月球基地上儲存太陽能的方法，提出將二氯化鐵（FeCl2）和三氯化鉻（CrCl3）作為液流電池的電化學活性物質，以鹽酸作為基質，以陰隔膜為隔膜，設計了第一款Fe-Cr雙液流電池，開發(fā)出功率1kW的樣機。然而，由于運行過程中正極、負極電解液中的活性物質交叉污染，致使電壓不穩(wěn)，電池容量衰減且無法長期運行，這大大降低了電池的實際使用壽命。
為避免正負極活性物質交叉污染，解決思路一是將正負極活性物質全部用同一元素的不同價態(tài)離子的化合物來構建，二是繼續(xù)改進隔膜。金屬釩化合物因具有多種的價態(tài)、且安全性較高，故而尤為引人注目。
■ 研發(fā)期
在眾多的液流電池化學體系中，因釩電池正負極電解液不存在交叉污染問題，且其安全性和可靠性較高，經過十余年的探索，全釩液流電池技術得到了長足的發(fā)展。
1986年，澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）的Maria Skyllas-Kazacos教授在國際上首次申請了全釩液流電池專利，并建造了1kW級的試驗電堆，能量效率達72-88%。該電池使用不同價態(tài)釩離子構成氧化還原電對；以石墨氈為電極，石墨-塑料板柵為集流體；質子傳導膜作為電池隔膜；正、負極電解液在充放電過程中流過電極表面發(fā)生電化學反應，可在5-45℃溫度范圍長期運行。
UNSW的研究成果是全釩液流電池發(fā)展史上的一個里程碑，這標志著該技術開始從實驗室走向產業(yè)化。
■ 商業(yè)化初期
全釩液流電池經過多年探索和積淀，其技術已完全具備可行性。進入21世紀后，全釩液流電池開始真正走向商業(yè)化。
1997年，UNSW向Pinnacle出售釩電池專利；2001年，加拿大Vanteck公司收購了Pinnacle公司，獲得核心專利權；2002年，Vanteck公司改名為釩電池儲能系統(tǒng)技術開發(fā)公司（VRB Power Systems），并在2004年收購了Reliable Power公司，從而控制了整個北美地區(qū)的全釩液流電池市場，成為當時全球最大的全釩液流電池公司。
國內的全釩液流電池基礎研究起步較早，開始于20世紀80年代末期。中國工程物理研究院的電子工程研究所率先在1995年建成了500W、1kW全釩液流電池樣機。2006年，中國科學院大連化學物理研究所建成10kW全釩液流電池試驗電堆。2009年，北京普能世紀科技有限公司以低價收購VRB Power System，獲得其各項技術、專利、商標、設備及核心技術團隊。同時，大連融科儲能技術發(fā)展有限公司（簡稱“融科儲能”）于2008年10月在大連市高新技術產業(yè)園區(qū)成立，由中國科學院大連化學物理研究所與大連博融控股集團共建。
得益于前期經驗積累和外部技術，中國的全釩液流電池技術研發(fā)和產業(yè)化進程大大加快，目前已成為該領域的全球主力。
全釩液流電池是液流電池中技術較為成熟、原材料更為可控、商業(yè)化進程領先的優(yōu)選技術路線。
從技術路線產業(yè)化程度看——目前，全釩液流電池、鐵鉻液流電池這兩個技術路線產業(yè)化程度領先。鐵鉻液流電池因為鉻離子活性低、電池容量衰減快、電壓等級和能量密度低等一系列技術問題困擾，產業(yè)化進程一直較慢。鋅溴液流電池由于電池循環(huán)壽命短、電池效率低，以及溴化鋅電解液中溴的金屬腐蝕性，目前可能面臨被淘汰的局面。目前國內做鋅溴液流的公司比較少。
從關鍵原材料儲備量看——地殼中釩資源總量小，但我國是全球目前已知釩儲量最高的國家。根據美國地質調查局的數(shù)據顯示，截至2022年全球釩資源儲量合計超過6,300萬噸（折金屬釩），其中已認定的釩資源中符合當前采掘生產要求的部分約為2,557萬噸。具體來看，中國、澳大利亞、俄羅斯與南非儲量分別為950、740、500、350萬噸，分別占比37.2%、28.9%、19.6%、13.7%。
據美國地質勘探局（USGS）礦產品2023年報告中顯示，2022年全球鉻礦產量約為4,100萬噸。全球鉻礦產量分布情況大致：南非占比44%、土耳其17%、哈薩克斯坦16%、印度10%、芬蘭5%、其他8%。我國鉻礦儲量僅有407萬噸，占全球儲量比不到百分之一，對外依存度超過90%，為全球最大進口國。
不同于鋰電池和鐵鉻液流電池存在嚴重的資源瓶頸或進口依賴，釩電池原材料高度自給可控，上游價格較為穩(wěn)定，有利于我國能源安全。
全釩液流電池不僅在液流電池領域眾多技術路線中脫穎而出，對比其他長時儲能技術，全釩液流電池還具備更好的選址靈活度和顯著的成本優(yōu)勢。
現(xiàn)階段長時儲能技術路線主要為抽水蓄能、熔鹽儲熱、液流電池儲能、壓縮空氣儲能、氫儲能以及產業(yè)鏈成熟的鋰電池儲能。其中，抽水蓄能作為傳統(tǒng)儲能方式，市場累計裝機規(guī)模最高、經濟性最好，但受選址條件限制，占比逐步降低；壓縮空氣儲能在一定程度上仍受選址限制；熔鹽儲熱及氫儲能產業(yè)鏈尚不成熟，初始投資成本較高，轉化效率較低，度電成本較高；鋰電池儲能產業(yè)鏈成熟，成本低，但安全性問題突出；與其他長時儲能技術相比，釩電池在應用場景、儲能時間尺度以及成本等方面綜合優(yōu)勢突出。
表1：長時儲能路線性能對比 資料來源：公開資料，天風天睿制表
與主流鋰電池對比，全釩液流電池具有安全性好、循環(huán)壽命長、功率與容量模塊可拆分的優(yōu)勢。
據不完全統(tǒng)計，過去十年發(fā)生約50多起電化學儲能爆炸事故。其中三元鋰占事故總數(shù)的63.16%，主要原因是熱失控。鋰電池的優(yōu)點是能量密度高，損失小，響應速度快；但其自身循環(huán)壽命不及液流電池，且固體電極導致的易燃問題對鋰電池儲能的商業(yè)化應用產生巨大挑戰(zhàn)。
圖5：近十年儲能電站爆炸事故技術路徑統(tǒng)計 資料來源：星球儲能所、公開資料整理，天風天睿制圖
全釩液流電池具備本征安全性。從原材料屬性來看，鋰電池電解液分別為六氟磷酸鋰（LiPF6）的混合碳酸酯溶液，均為易燃物質；而釩電池采用水基電解液，無起火爆炸風險。從電池結構來看，鋰電池正負極及電解液均共存于一個體系之中，當電池過充或處于低溫環(huán)境下時會出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，形成鋰枝晶，易造成短路、帶來熱失控風險；而釩電池電解液獨立儲存于電解罐中，充放電時反應物可通過循環(huán)泵從電極表面快速抽離，可有效避免濃差極化和熱積累效應，無熱失控風險。
釩電池也具備更好的經濟性。釩電池功率和容量相互獨立，擴容性強，長時儲能可降低邊際成本。釩電池的電堆作為發(fā)生反應的場所與存放電解液的儲罐分開，從根本上克服了傳統(tǒng)電池的自放電現(xiàn)象，降低了其自身的損耗。釩電池的功率只取決于電堆大小，電池容量則只取決于電解液儲量和濃度；當功率一定時，如要增加儲能容量，只需要增大電解液儲罐容積或提高電解液體積或濃度即可，而不需改變電堆大小，這增加了設計的靈活性。如要實現(xiàn)電池規(guī)模的擴展，可通過增大電堆功率和增加電堆數(shù)量來提高功率，以及通過增加電解液來提高儲電量，該種方式可應用于建造千瓦級到百兆瓦級儲能電站，具有更強的適應性。
釩電池還具備長循環(huán)壽命，達到了所有電化學儲能技術之最。釩電池正負極均為釩離子，在充放電過程中可避免因離子穿過隔膜交叉污染導致的容量衰減問題。釩電池的循環(huán)壽命可達20,000+次，使用年限可達20年，而鋰電池循環(huán)次數(shù)普遍在10,000次以下。
相比鋰電池，釩電池多出的兩個循環(huán)泵將產生額外的能量損耗，因此能量轉化率較鋰電池（80-90%）更低，約為65%-75%；但考慮到釩電池循環(huán)壽命遠高于鋰電池，故能量轉換率偏低并不會顯著降低釩電池全生命周期的經濟性。
釩電池的運行溫度區(qū)間較窄。釩電池最佳運行溫度為0-45℃，窄于鋰電池（-20-60℃）。當溫度過低時，電解液凝固會影響電池正常運轉；當溫度過高時，正極五價釩會析出為五氧化二釩沉淀，造成流道堵塞、電堆性能惡化。為了降低熱管理難度，釩電池充放電過程中電解液循環(huán)流動，電堆熱量可直接通過輸送管中的熱交換器散熱，可通過風冷方式進行溫控。而鋰電池儲能系統(tǒng)涉及大量電芯，對熱管理要求更高，主流溫控路線為風冷或液冷：液冷為當前主流趨勢，其勝在散熱溫差更低；風冷則具有結構簡單、成本低、更易維護的優(yōu)勢。
釩電池產業(yè)鏈逐步成型，投資價值初現(xiàn)
目前全釩液流電池的技術成熟度逐漸提高，產業(yè)鏈逐步成型，處于導入期向成長期過渡階段。其上游主要涉及各項原材料，包括五氧化二釩、全氟磺酸膜等；產業(yè)中游為電解液配制、電堆裝配、控制系統(tǒng)等其他設備，其中電解液配置技術和電堆制造技術壁壘最高；下游儲能主要應用于發(fā)電側、電網側以及用戶側，主要包括風光發(fā)電配儲、電網調峰調頻、戶用、工商業(yè)以及獨立儲能等細分領域。
圖6：全釩液流電池產業(yè)鏈 資料來源：公開資料整理，天風天睿制圖
全釩液流電池由電解液、電堆和其他部件組成。其中電解液、電堆（隔膜、電極、雙極板）是全釩液流電池的核心部件，其成本分別占總成本的四成左右。
圖7：全釩液流電池成本構成 資料來源：iFinD、公開資料整理，天風天睿制圖
全釩液流電池電解液主要原材料是釩金屬，國內釩資源存儲豐富，釩電池產業(yè)鏈有較好的資源基礎，因此在大規(guī)模商業(yè)化應用上具有良好潛質。
目前，我國釩電池產業(yè)鏈的發(fā)展和投資機會更多集中于電解液、電堆、隔膜、電控系統(tǒng)等核心材料與部件的研發(fā)與應用。
■ 電解液制備是能量密度關鍵
受電解液濃度的限制，釩電池的能量密度相對較低（12-40Wh/kg）。這使得釩電池更適用于對體積、質量能量密度要求不高，但對安全性要求更高的大型、長時儲能電站應用場景，即靜態(tài)儲能領域，而非動力及移動電源等領域。
因此，電解液釩離子濃度成為了評價釩電池性能的關鍵指標，提高電解液濃度的方式包括更換電解質提升高濃度條件下的釩離子穩(wěn)定性、使用含羧基和磺酸基團的添加劑來增加釩離子在高溫條件下的穩(wěn)定性等。此領域國內布局企業(yè)眾多，其中不乏全球市占率達80%的全球最大釩電解液生產企業(yè)。
■ 隔膜是功率密度關鍵
隔膜是決定全釩液流電池功率密度的關鍵因素。隔膜作為全釩液流電池的核心材料之一，其性能和成本直接決定了電池的性能、可靠性及系統(tǒng)成本。
隔膜將正負極電解液實現(xiàn)分隔，防止釩離子混合出現(xiàn)自放電現(xiàn)象，并通過選擇性透過離子從而實現(xiàn)電池結構中完整回路的構建。
理想的全釩液流電池隔膜需要具備以下特征：（1）高選擇透性，減少釩離子的跨膜運輸導致自放電；（2）優(yōu)異的化學穩(wěn)定性，高機械強度，使得薄膜在酸性條件下的壽命長，從而增長電池壽命；（3）低電阻率，提高電池倍率性能；（4）低水通量，在充放電過程中，使得陰、陽兩極電解液保持平衡；（5）加工生產成本低，有利于隔膜的廣泛應用。
現(xiàn)階段國內外普遍采用的是美國杜邦公司生產的Nafion膜，該膜具有耐腐蝕性和抗氧化的優(yōu)點，其材料合成難度相對較小，但關鍵性的熔融擠出壓延成型技術長期為國外壟斷，導致成本高昂。國內的隔膜生產公司在開發(fā)中已經取得了一定成果，但其機械強度較杜邦公司仍有一定差距。
■ 電極影響運行效率以及功率
液流電池中電極不參與到氧化還原反應，但提供了氧化還原反應的場所，影響全釩液流電池的功率。良好的電極材料會促進液流電池的充放電反應、增加電池結構的穩(wěn)定性以及使用壽命，進而提高液流電池整體的運行效率以及輸出功率。
良好的電極需要滿足以下性能：（1）優(yōu)異的導電性能；（2）突出的機械性能；（3）具有良好的結構特性；（4）成本優(yōu)勢及環(huán)境友好特性。
國內外釩電池電極主要采用碳素電極。碳素電極包括碳氈、石墨氈、玻碳、碳紙等。其中石墨氈和碳氈是釩電池電極的主流材料，主要因為其具有成本相對較低、穩(wěn)定性好、導電能力突出、高比表面積等優(yōu)點。目前，釩電池電極基本可實現(xiàn)國產化。
■ 雙極板支撐電堆結構
雙極板串聯(lián)相鄰單電池的正負極，導通內電路，阻隔兩側電解液，支撐正負極，需要具備一定的機械強度、良好的導電性和耐腐蝕性。
釩電池雙極板根據材質主要分為石墨雙極板、金屬雙極板、碳素復合材料雙極板等。石墨質脆，金屬易腐蝕，因此，目前釩電池雙極板主要采用碳素復合材料。碳素復合材料雙極板碳含量越高，導電性能越強，但雙極板韌性會變差，增加了電堆的組裝壓緊難度。目前，國內已有企業(yè)實現(xiàn)可焊接碳素復合板的批量化生產。
在構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的大背景下，儲能將成為新型電力系統(tǒng)的一個基本要素。隨著新能源發(fā)電占比逐步提升，長時儲能對新型電力系統(tǒng)重要性將日益凸顯，市場需求逐步釋放。
全釩液流電池具有安全性高、循環(huán)壽命長、電解液可循環(huán)利用、生命周期性價比高、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢，正逐步開始商業(yè)化，是長時儲能市場強力競爭者。我們認為，在電池系統(tǒng)、電解液制備、電堆效率提升以及隔膜制作等產業(yè)鏈關鍵環(huán)節(jié)具備核心技術優(yōu)勢的企業(yè)，將有機會實現(xiàn)快速發(fā)展。
