中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2024年第3期發(fā)表了中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所助理研究員龍濤等研究人員的《新型儲(chǔ)能金屬釩資源需求預(yù)測(cè)與供應(yīng)分析》一文。
文章分析了未來釩液流電池的發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)置了高速發(fā)展、參考和低速發(fā)展3種情景，結(jié)合釩液流電池單位釩用量，預(yù)測(cè)了未來不同情景下儲(chǔ)能領(lǐng)域釩資源需求趨勢(shì)。同時(shí)結(jié)合釩液流電池優(yōu)勢(shì)指出：
1、隨著儲(chǔ)能行業(yè)的快速發(fā)展，釩液流電池已具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件，且性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)性好；
2、強(qiáng)調(diào)了釩液流電池是水系循環(huán)體系電池，其電解液為釩離子的稀硫酸水溶液，在室溫狀態(tài)下即可工作（5~40 ℃），充放電過程中沒有固相反應(yīng)，只需控制好充放電截止電壓，并確保電池系統(tǒng)存放空間通風(fēng)良好，即可本征安全，沒有起火爆炸等隱患，這是釩液流電池與其他電化學(xué)電池相比最為突出的優(yōu)勢(shì)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（>4 h）、擴(kuò)容簡(jiǎn)單認(rèn)為適合于需要大規(guī)模、大容量、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能裝備的應(yīng)用場(chǎng)所；
3、作者經(jīng)過實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際價(jià)格不同，當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)時(shí)，電解液的儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格就被單位分?jǐn)偟母啵瑢?shí)際成本就越低，因此釩液流電池全生命周期成本較低，經(jīng)濟(jì)性好，是高功率、大容量、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)的最佳選擇。
同時(shí)針對(duì)于釩液流電池行業(yè)核心關(guān)鍵材料的市場(chǎng)“痛點(diǎn)”，提出以下發(fā)展建議：通過技術(shù)創(chuàng)新提高釩液流電池的技術(shù)研發(fā)力度，如提高電解液的濃度，增大釩液流電池的能量密度；對(duì)電極、膜及雙極板等配件材料進(jìn)行開發(fā)與優(yōu)化，研發(fā)高性能、低成本的關(guān)鍵材料，如制備更薄、偏向三維結(jié)構(gòu)、高活性的電極材料；提升國(guó)產(chǎn)膜的穩(wěn)定性和離子選擇性，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)膜的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
最后研究發(fā)現(xiàn)，未來釩資源需求將快速增長(zhǎng)，尤其是在高增長(zhǎng)情景下，全球2040年釩資源需求將較2021年增長(zhǎng)276~338倍；分析全球釩資源的供應(yīng)情況，認(rèn)為釩液流電池需求前景良好，隨著釩液流電池的迅速發(fā)展，未來釩資源將供不應(yīng)求。
以下為全文內(nèi)容：
一、前言
目前，全球正在經(jīng)歷一場(chǎng)以低碳、零碳和負(fù)碳為技術(shù)特征的能源轉(zhuǎn)型和科技革命，風(fēng)能、太陽能等新能源快速發(fā)展。近五年，全球新增發(fā)電裝機(jī)容量中新能源約占70%，全球新增發(fā)電量中新能源約占60%。根據(jù)國(guó)際能源署（IEA）預(yù)測(cè)，到2030年，在凈零排放情景中，全球可再生能源發(fā)電容量約為11008 GW，是2022年可再生能源發(fā)電容量的3倍多。然而，風(fēng)能、太陽能等新能源的大規(guī)模利用還存在時(shí)間上的間歇性、不穩(wěn)定性和空間上的分散性等挑戰(zhàn)，如果不經(jīng)過處理，新能源產(chǎn)生的不穩(wěn)定電力直接并網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來巨大的壓力，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)電網(wǎng)事故。儲(chǔ)能可以平抑新能源波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)新能源平滑、穩(wěn)定輸出，提高新能源的實(shí)際利用率，因此，儲(chǔ)能成為新能源發(fā)展的關(guān)鍵。
儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用于新能源體系的發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)。我國(guó)高度重視儲(chǔ)能的發(fā)展，2021年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局發(fā)布通知，要求超過電網(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 h以上）配建調(diào)峰能力，按照全資比例建設(shè)抽水蓄能、化學(xué)儲(chǔ)能電站、氣電、光熱電站或開展煤電靈活性改造，按照20%以上掛鉤比例進(jìn)行配建的優(yōu)先并網(wǎng)。隨著國(guó)內(nèi)外大規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目的陸續(xù)啟動(dòng)，儲(chǔ)能技術(shù)未來勢(shì)必會(huì)迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。
近年來，電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，其中釩液流電池儲(chǔ)能技術(shù)以其本征安全、全生命周期經(jīng)濟(jì)性好及環(huán)境友好等特點(diǎn)，受到儲(chǔ)能領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。釩具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，化合價(jià)有+2、+3、+4和+5，不同價(jià)態(tài)可形成相鄰價(jià)態(tài)的電對(duì)；具有耐鹽酸和硫酸的特性，是釩液流電池的關(guān)鍵金屬材料。釩用途十分廣泛，主要應(yīng)用于鋼鐵、儲(chǔ)能、化工和鈦合金等領(lǐng)域，被中國(guó)、美國(guó)、歐盟、日本、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)、危機(jī)礦產(chǎn)、關(guān)鍵礦產(chǎn)清單。
目前，業(yè)界對(duì)釩液流電池的研究主要集中在應(yīng)用方面，鮮有對(duì)釩金屬的需求及供應(yīng)保障的相關(guān)研究。本文在全球能源轉(zhuǎn)型的背景下，圍繞電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)及釩液流電池的發(fā)展趨勢(shì)，研究?jī)?chǔ)能領(lǐng)域?qū)︹C的需求和供應(yīng)保障情況，以期為相關(guān)行業(yè)發(fā)展提供參考。
二、儲(chǔ)能領(lǐng)域成為釩應(yīng)用的新增長(zhǎng)極
（一） 釩的應(yīng)用領(lǐng)域
釩廣泛應(yīng)用于鋼鐵、儲(chǔ)能、化工和鈦合金（航空航天）等領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)與國(guó)防部門所必須的重要資源，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“金屬維生素”。
鋼鐵冶金是釩最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，據(jù)安泰科信息股份有限公司數(shù)據(jù)，2022年全球88.83%的釩用于鋼鐵冶金（見圖1），大部分含釩產(chǎn)品是由釩鈦磁鐵礦經(jīng)選礦、高爐冶煉（電爐）、轉(zhuǎn)爐還原、加工處理等工序獲得。釩在鋼鐵領(lǐng)域主要作為合金添加劑，實(shí)現(xiàn)鋼材的微合金化；釩的添加可提高鋼材產(chǎn)品性能，也可以有效節(jié)約鋼材使用量，實(shí)踐表明，在結(jié)構(gòu)鋼中加入0.1%的釩，強(qiáng)度可提高10%~20%，結(jié)構(gòu)重量減輕15%~25%，成本降低8%~10%；若采用含釩高強(qiáng)度鋼時(shí)，可減輕金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量40%~50%，比普通結(jié)構(gòu)鋼的成本低15%~30%，這對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有積極作用。
圖1 全球釩消費(fèi)結(jié)構(gòu)
釩的另外一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是鈦合金行業(yè)，鈦合金是一種廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高級(jí)合金材料，含釩合金是鈦合金最重要的添加劑，鈦合金制作的關(guān)鍵原料就是各種牌號(hào)的含釩合金。2022年，全球約2.83%的釩用于鈦合金領(lǐng)域；全球約4.37%的釩用于儲(chǔ)能行業(yè)，3.97%的釩用于化工行業(yè)。釩在儲(chǔ)能領(lǐng)域主要是用作釩液流電池，釩化合物在一些重要的化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)中可用作催化劑。
（二） 釩液流電池的優(yōu)勢(shì)
隨著儲(chǔ)能行業(yè)的快速發(fā)展，釩液流電池需求前景良好。釩液流電池是一種以金屬釩離子為活性物質(zhì)的、呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的氧化還原可再生電池，正負(fù)極都是釩。釩液流電池已具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件，且性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)性好；釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，每千瓦時(shí)的實(shí)際成本就越低，是高功率、大容量、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能技術(shù)的最佳選擇（見表1）。
表1 不同電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
1. 本征安全
釩液流電池是水系循環(huán)體系電池，其電解液為釩離子的稀硫酸水溶液，在室溫狀態(tài)下即可工作（5~40 ℃），充放電過程中沒有固相反應(yīng)，只需控制好充放電截止電壓，并確保電池系統(tǒng)存放空間通風(fēng)良好，即可本征安全，沒有起火爆炸等隱患，這是釩液流電池與其他電化學(xué)電池相比最為突出的優(yōu)勢(shì)。
2. 壽命更長(zhǎng)
釩液流電池可通過周期性電解液共混實(shí)現(xiàn)對(duì)可逆容量的恢復(fù)，因此，釩液流電池具有更長(zhǎng)的使用壽命。到目前為止，釩液流電池循環(huán)壽命可達(dá)到12000~18000次，約為鋰離子電池的2倍以上，使用年限在15~20年，也有研究認(rèn)為其使用年限可長(zhǎng)達(dá)20年以上。
3. 擴(kuò)容簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活
釩液流電池的輸出功率和儲(chǔ)能容量可進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，電堆是進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，其輸出功率取決于電極的大小和電堆的數(shù)量；電解液是能量存儲(chǔ)的介質(zhì)，其儲(chǔ)能容量取決于電解液的濃度和體積，因此可根據(jù)實(shí)際情況自由選擇功率單元和能量單元數(shù)量。若想要增大輸出功率，只需增大電極的面積和增加電堆的數(shù)量即可；若想增加儲(chǔ)能容量，只需加大電解液的濃度和電解液的體積，因此釩液流電池適合于需要大規(guī)模、大容量、長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能裝備的應(yīng)用場(chǎng)所。
4. 強(qiáng)大的深放電能力
釩液流電池所使用的電極不含活性物質(zhì)，只負(fù)責(zé)提供氧化還原反應(yīng)的活性位點(diǎn)，電極本身并不發(fā)生氧化還原反應(yīng)。因此釩液流電池與其他傳統(tǒng)電池相比，充放電沒有記憶效應(yīng)，可以進(jìn)行100%深度放電而不會(huì)損壞電池。
5. 對(duì)環(huán)境友好，易于回收利用
釩電解液是釩液流電池最核心的材料之一，是單一釩離子的硫酸溶液，減小了正負(fù)極電解液交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，充放電極少產(chǎn)生雜質(zhì)，也無污染物，對(duì)環(huán)境友好。此外，釩液流電池回收利用率高，在系統(tǒng)使用壽命結(jié)束時(shí)，所有的電解質(zhì)成分（包括釩資源、水和硫酸）都可以通過沉淀電化學(xué)氧化方法，借助于pH值變化很容易被分離出來。
6. 全生命周期成本較低，經(jīng)濟(jì)性好
釩液流電池初始投資成本較高，主要是由于離子交換膜和電解液等材料成本較高，而且釩液流電池能量密度低、體積大，因此電解液使用量會(huì)更大，導(dǎo)致其成本更高。但經(jīng)過實(shí)際研究，不同儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)的釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)際價(jià)格不同，當(dāng)儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)時(shí)，電解液的儲(chǔ)能系統(tǒng)價(jià)格就被單位分?jǐn)偟酶?，?shí)際成本就越低。因此釩液流電池儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，其實(shí)際成本就越低。
三、儲(chǔ)能用釩需求趨勢(shì)分析
近年來，全球儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)平穩(wěn)增長(zhǎng)，尤其是自2019年以來，全球清潔能源迅速發(fā)展，越來越多的國(guó)家開始加速能源轉(zhuǎn)型，儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)成為全球經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的抓手之一，全球儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模逐年快速增長(zhǎng)。根據(jù)中國(guó)能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì) / 中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫的不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年年底，全球累計(jì)儲(chǔ)能市場(chǎng)裝機(jī)規(guī)模同比增長(zhǎng)9.58%，與2017年相比增長(zhǎng)了19.38%。
（一） 電化學(xué)儲(chǔ)能進(jìn)入快速發(fā)展期
在全球儲(chǔ)能技術(shù)中，抽水儲(chǔ)能仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，但電化學(xué)儲(chǔ)能正異軍突起，成為儲(chǔ)能市場(chǎng)冉冉升起的一顆新星。近年來，電化學(xué)儲(chǔ)能在儲(chǔ)能領(lǐng)域占比逐年快速提升，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模大幅度攀升，成為儲(chǔ)能市場(chǎng)的重要增量。根據(jù)中國(guó)能源研究會(huì)儲(chǔ)能專業(yè)委會(huì)、中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫的不完全統(tǒng)計(jì)，2021年全球電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模比2017年增加了7倍多，電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模占全球儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模比例從2017年的1.67%增長(zhǎng)到2021年的11.70%，實(shí)現(xiàn)了飛速發(fā)展（見圖2）。
圖2 全球電力儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模
電化學(xué)儲(chǔ)能得益于高效的能量轉(zhuǎn)化、受地理環(huán)境影響小和可再生能源整合的優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和成本的逐年下降，未來將持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)IEA和睿咨得能源（Rystad Energy）等綜合預(yù)測(cè)，在可持續(xù)發(fā)展情景（即與實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》目標(biāo)相一致的發(fā)展軌跡所需的條件）下，預(yù)計(jì)到2030年全球電化學(xué)儲(chǔ)能新增裝機(jī)容量約為169GW·h，到2040年新增裝機(jī)容量約為426GW·h（見圖3），分別較2021年增加了約8倍和21倍；預(yù)計(jì)到2030年我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能新增裝機(jī)容量約為104GW·h，到2040年新增裝機(jī)容量約為316GW·h，分別較2021年增加了約35倍和110倍。
圖3 電化學(xué)儲(chǔ)能新增裝機(jī)容量預(yù)測(cè)
（二） 釩液流電池發(fā)展?jié)摿薮?
釩液流電池主要應(yīng)用于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)（>4 h）的電網(wǎng)規(guī)模應(yīng)用，目前電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域非液流電池占比大于98%，其中鋰離子電池占90%，而釩液流電池占比小于1%。根據(jù)CRU國(guó)際有限公司的預(yù)測(cè)，釩液流電池將快速發(fā)展，預(yù)計(jì)到2030年釩液流電池占電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)份額為1%~25%，到2040年釩液流電池占電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)份額為15%~40%（見圖4）。
圖4 電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域釩液流電池儲(chǔ)能累計(jì)份額
基于對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域不同類型電池安全性、成本、環(huán)境友好性和技術(shù)性能的分析，考慮各類電池的發(fā)展具有諸多的不確定性，本文設(shè)置3種不同情景，分析電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域全釩液流電池的發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)2022—2040年全釩液流電池新增裝機(jī)容量（見表2、圖5）。
表2 不同情景下釩液流電池在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的市場(chǎng)份額
圖5 不同情景下釩液流電池新增裝機(jī)容量預(yù)測(cè)
（1）高速發(fā)展情景。釩液流電池技術(shù)取得重大突破，在降低成本、能量密度、能量效率等方面大大提升，占地面積減少，運(yùn)行維護(hù)成本下降，同時(shí)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)“發(fā)輸配”等各個(gè)環(huán)節(jié)；預(yù)計(jì)到2040年，釩液流電池在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域市場(chǎng)占有率將達(dá)到30%~40%。在此情景下，全球電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域釩液流電池新增裝機(jī)容量將由2021年的0.16GW·h增長(zhǎng)至2040年的192~235GW·h；我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域釩液流電池新增裝機(jī)容量將由2021年的0.03GW·h增長(zhǎng)至2040年的144~176GW·h。
（2）參考情景。各種類型電池技術(shù)均有所突破，鉛碳電池技術(shù)循環(huán)壽命大大提升，鈉離子電池技術(shù)等迅猛發(fā)展，迅速占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，釩液流電池技術(shù)也有突破，能量密度、能量效率等均有提升；預(yù)計(jì)到2040年釩液流電池在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率為10%~15%。在此情景下，全球電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域釩液流電池新增裝機(jī)容量將由2021年的0.16GW·h增長(zhǎng)至2040年的55~77GW·h；我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域釩液流電池新增裝機(jī)容量將由2021年的0.03GW·h增長(zhǎng)至2040年的42~57GW·h。
（3）低速發(fā)展情景。釩液流電池技術(shù)發(fā)展較為緩慢，成本居高不下，且由于原材料供應(yīng)的制約，釩液流電池發(fā)展處于不溫不火的狀態(tài)。同時(shí)，鋰離子電池技術(shù)的安全性大大提升，隨著新能源汽車市場(chǎng)的規(guī)模效應(yīng)其制造成本不斷下降，鋰電池始終占據(jù)較高的市場(chǎng)份額；預(yù)計(jì)到2040年，釩液流電池在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的市場(chǎng)占有率為4%~6%。在此情景下，電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域釩液流電池新增裝機(jī)容量將由2021年的0.16GW·h增長(zhǎng)至2040年的23~32GW·h；我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域釩液流電池新增裝機(jī)容量將由2021年的0.03GW·h增長(zhǎng)至18~24GW·h。
（三） 儲(chǔ)能用釩未來需求迅猛上升
理論上，儲(chǔ)存1 kW·h的電能，需要5.6 kg V2O5，如果電解液的利用率為70%，則實(shí)際上儲(chǔ)存1 kW·h的電能大約需要8 kg V2O5（折合為4.48 kg金屬釩），由于釩液流電池壽命為15~20年甚至更長(zhǎng)，所以從現(xiàn)在到2040年暫不考慮電解液的回收情況。根據(jù)釩液流電池發(fā)展的3種不同情景，預(yù)測(cè)2022—2040年全球和我國(guó)釩資源的需求量（見表3、表4、圖6）：① 高速發(fā)展情景下，全球電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量將由2021年的3100 t增長(zhǎng)至2040年的8.6×105 t~1.05×106 t，比2021年增長(zhǎng)276~338倍；我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量將由2021年的2900 t增長(zhǎng)至2040年的6.5×105 t ~7.9×105 t，比2021年增長(zhǎng)223~271倍。② 參考情景下，全球電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量將由2021年的3100t增長(zhǎng)至2040年的2.5×105~3.4×105 t，比2021年增長(zhǎng)80~109倍；我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量將由2021年的2900 t增長(zhǎng)至2040年的1.9×105~2.6×105 t，比2021年增長(zhǎng)65~89倍。③ 低速發(fā)展情景下，全球電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量將由2021年的3100 t增長(zhǎng)至2040年的1.05×105~1.4×105 t，比2021年增長(zhǎng)33~44倍；我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量將由2021年的2900 t增長(zhǎng)至2040年的8×104~1.1×105 t，比2021年增長(zhǎng)27~37倍。
表3 2021—2040年不同情景下全球電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量
表4 2021—2040年不同情景下我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量
圖6 不同情景下電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的釩需求量
四、釩資源供應(yīng)趨勢(shì)分析
（一） 全球釩資源儲(chǔ)量豐富
全球釩資源量超過6.3×107 t，2010年以來，全球釩礦儲(chǔ)量持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)，截至2021年年底，全球釩儲(chǔ)量為2.4×107 t，主要分布在中國(guó)、澳大利亞、俄羅斯、南非、巴西和美國(guó)等國(guó)家，相比于2010年增長(zhǎng)76.5%（見圖7）。
圖7 2010—2021年全球釩礦儲(chǔ)量變化情況
近年來，隨著勘查技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)釩礦儲(chǔ)量迅速增長(zhǎng)。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)，2021年我國(guó)釩礦儲(chǔ)量為9.5×106 t，與2010年相比增長(zhǎng)86.3%，我國(guó)的釩鈦磁鐵礦床主要分布在攀枝花礦區(qū)、紅格礦區(qū)、白馬礦區(qū)、太和礦區(qū)和承德地區(qū)等地。澳大利亞政府一直把重點(diǎn)放在增加關(guān)鍵礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量方面，2014年以來，澳大利亞釩礦儲(chǔ)量持續(xù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，2021年澳大利亞釩礦儲(chǔ)量為6×106 t，相較于2014年增長(zhǎng)了4.2×106 t，增幅達(dá)到233.3%，其釩鈦磁鐵礦床主要分布在巴拉姆比、文多維等地區(qū)。除中國(guó)和澳大利亞外，俄羅斯、南非、巴西以及美國(guó)等主要資源國(guó)的釩礦儲(chǔ)量基本維持穩(wěn)定，2021年，俄羅斯的釩礦儲(chǔ)量為5×106 t，南非的釩礦儲(chǔ)量為3.5×106 t，巴西的釩礦儲(chǔ)量為1.2×105 t，美國(guó)的釩礦儲(chǔ)量為4.5×104 t。
（二） 全球絕大部分的釩資源來自于釩鈦磁鐵礦床
釩是地殼表層中賦存最為豐富的元素之一，釩在地殼中的總含量位于金屬的第22位，比銅、鉛的含量還多，在地殼中的豐度約為0.02%。雖然其含量較多，但是比較分散，因此至今沒有發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的釩礦，主要和一些金屬礦共伴生。
釩鈦磁鐵礦是釩的主要來源，分布廣泛，但主要分布在中國(guó)、俄羅斯、南非、加拿大、美國(guó)、挪威、芬蘭和新西蘭等國(guó)家（見表5）。目前世界絕大部分釩通過釩鈦磁鐵礦及其礦渣經(jīng)焙燒、浸出等工藝進(jìn)行提取。釩還以化合物的方式存在于磷酸鹽頁巖礦、鈾鉀釩礦、硫釩礦與鋁土礦中，碳質(zhì)的石煤、原油、瀝青礦物中也含有釩。2021年，全球約有13.03%的釩產(chǎn)量是從釩鈦磁鐵礦中直接提取（我國(guó)約為0.89%），約76.2%的釩產(chǎn)量是通過鋼鐵冶金過程中產(chǎn)生的富釩鋼渣得到的（我國(guó)約為89%）。另外，約10.77%的釩產(chǎn)量來自于回收的含釩副產(chǎn)品，如含釩燃油灰渣和廢化學(xué)催化劑，以及含釩頁巖的生產(chǎn)。
表5 全球主要釩鈦磁鐵礦分布情況
（三） 全球釩礦產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢
近年來，全球釩礦產(chǎn)量整體呈波動(dòng)上升的態(tài)勢(shì)，但增長(zhǎng)緩慢。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)，2010年以來全球釩礦產(chǎn)量波動(dòng)上升，2021年全球釩礦產(chǎn)量約為1.05×105 t，比2010年增長(zhǎng)了82.29%（見圖8）。
圖8 2010—2021年全球釩礦產(chǎn)量變化情況
釩主要生產(chǎn)國(guó)包括中國(guó)、俄羅斯、南非、巴西等國(guó)。我國(guó)是釩資源大國(guó)，是世界上最大的釩生產(chǎn)國(guó)，近年來我國(guó)釩礦產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，2021年我國(guó)釩礦產(chǎn)量約為7.03×104 t，相比2010年增長(zhǎng)了219.55%；2021年俄羅斯釩礦產(chǎn)量約為2.01×104 t，相比2010年增長(zhǎng)了34%；巴西釩礦產(chǎn)量從2014年才有相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年釩礦產(chǎn)量約為5800 t，相比2014年增長(zhǎng)超過4.6倍；2010—2021年南非釩礦產(chǎn)量迅速下降，2011年南非釩礦產(chǎn)量達(dá)到頂峰，為2.2×104 t，此后波動(dòng)下降，2021年為8800 t，相比頂峰時(shí)期（2011年）下降了60%。
近十年來，全球釩產(chǎn)量總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，增長(zhǎng)較為緩慢（見圖9）。根據(jù)國(guó)際釩技術(shù)委員會(huì)數(shù)據(jù)，2021年全球釩產(chǎn)量約為1.157×105 t，同比僅增長(zhǎng)了4.77%。2011年全球釩產(chǎn)量為7.62×104 t，2021年比2011年增長(zhǎng)了51.87%。
圖9 2011—2021年全球釩產(chǎn)量情況
（四） 釩液流電池高速發(fā)展情景下，未來全球釩資源將面臨供需不平衡
2017年，隨著鋼鐵行業(yè)的復(fù)蘇、鋼價(jià)的上漲，釩需求量大大增加，疊加環(huán)保政策《進(jìn)口廢物管理目錄》的出臺(tái)，限制釩渣進(jìn)口導(dǎo)致釩資源供給緊張，需求增長(zhǎng)與供給下降帶來供需緊平衡的局面，因此，2018年以來釩價(jià)格持續(xù)增長(zhǎng)。五氧化二釩市場(chǎng)價(jià)格在2018年12月達(dá)到最高將近50萬元/t；2019年由于鋼鐵新國(guó)標(biāo)執(zhí)行不到位或者使用釩替代品的情況，釩需求實(shí)際增量有限，供需失衡導(dǎo)致釩價(jià)格開始出現(xiàn)持續(xù)下降；受疫情影響，2020年以來五氧化二釩價(jià)格穩(wěn)定在10萬元/t左右（見圖10）。2018—2021年電池級(jí)碳酸鋰價(jià)格始終低于五氧化二釩價(jià)格，在5~16萬元/t，2021年9月由于新能源汽車快速發(fā)展等原因電池級(jí)碳酸鋰價(jià)格飛速增長(zhǎng)，2022年11月達(dá)到頂峰（約為57萬元/t），此后由于全球鋰產(chǎn)業(yè)從上游礦產(chǎn)到中游材料下游電池均處于過剩狀態(tài)等原因，電池級(jí)碳酸鋰價(jià)格下降（見圖10）。
圖10 我國(guó)五氧化二釩和電池級(jí)碳酸鋰的價(jià)格
注：數(shù)據(jù)來源于CBC金屬網(wǎng)、Wind經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫。
根據(jù)目前的情況，全球2021年釩資源的儲(chǔ)產(chǎn)比約為207年，然而在高速發(fā)展情景下，到2040年全球釩資源的儲(chǔ)產(chǎn)比僅為23年左右；參考情景下，到2040年全球釩資源的儲(chǔ)產(chǎn)比也僅為60年左右。以目前釩供應(yīng)形勢(shì)來看，隨著儲(chǔ)能行業(yè)釩液流電池用釩量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，粗略估計(jì)，按照目前釩產(chǎn)能及釩產(chǎn)量增加緩慢的情況，到2030年全球釩資源將面臨供需不平衡，且會(huì)供不應(yīng)求。
五、結(jié)論與建議
（一） 結(jié)論
（1）到2040年，全球電化學(xué)儲(chǔ)能新增安裝容量約為426 GW·h，高速發(fā)展情景下釩液流電池新增安裝容量約為192~235 GW·h，對(duì)釩的需求量迅猛增長(zhǎng)，約為8.6×105~1.05×106 t；參考情景下釩液流電池新增安裝容量約為55~77 GW·h，對(duì)釩的需求量約為2.5×105~3.4×105 t；低速發(fā)展情景下，釩液流電池新增裝機(jī)容量約為23~32 GW·h，對(duì)釩的需求量約為1.1×105~1.4×105 t。
（2）到2040年，我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能新增安裝容量約為316 GW·h。高速發(fā)展情景下釩液流電池新增安裝容量約為144~176 GW·h，對(duì)釩的需求量迅猛增長(zhǎng)，約為6.5×105~7.9×105 t；參考情景下釩液流電池新增安裝容量約為42~57 GW·h，對(duì)釩的需求量約為1.9×105~2.6×105 t；低速發(fā)展情景下，釩液流電池新增裝機(jī)容量約為18~24 GW·h，對(duì)釩的需求量約為8×104~1.1×105 t。
（3）目前制約釩供應(yīng)的問題主要有：釩產(chǎn)量和鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，未來我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量增長(zhǎng)預(yù)計(jì)將維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，產(chǎn)量增長(zhǎng)有限，這制約了釩產(chǎn)量的增長(zhǎng)；釩的生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，能耗大且收率低；釩資源開采和提煉的成本較高，使得釩的市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)較高，這也限制了釩的大規(guī)模應(yīng)用和開發(fā)。
（4）從目前釩的供應(yīng)形式來看，隨著儲(chǔ)能行業(yè)釩液流電池用釩量的爆發(fā)式增長(zhǎng)，按照現(xiàn)有的釩產(chǎn)能情況及釩產(chǎn)量緩慢增長(zhǎng)的情況，到2030年以后釩資源將面臨供需不平衡，且會(huì)供不應(yīng)求。
（二） 發(fā)展建議
1. 提高釩液流電池的技術(shù)研發(fā)力度
（1）提高電解液的濃度，增大釩液流電池的能量密度。如改變傳統(tǒng)的H2SO4支撐電解液，使用HCL / H2SO4混合支撐電解質(zhì)，可以大幅度提高釩電解液濃度，增大電池能量密度。
（2）對(duì)電極、膜及雙極板等配件材料進(jìn)行開發(fā)與優(yōu)化，研發(fā)高性能、低成本的關(guān)鍵材料。如制備更薄、偏向三維結(jié)構(gòu)、高活性的電極材料；提升國(guó)產(chǎn)膜的穩(wěn)定性和離子選擇性，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)膜的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
2. 加強(qiáng)我國(guó)釩資源的利用和保障力度
（1）加大釩礦的地質(zhì)勘查力度，積極探索新的釩礦資源。結(jié)合現(xiàn)代科技手段，進(jìn)行廣泛的地質(zhì)調(diào)查和勘探，包括地質(zhì)勘查、遙感技術(shù)、地球化學(xué)測(cè)試等，以確定潛在的釩礦床位置和規(guī)模。在勘查過程中，需要注意環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展，采用科學(xué)合理的開采技術(shù)和管理措施，確保資源的可持續(xù)利用。
（2）創(chuàng)新釩鈦磁鐵礦的提釩方法和技術(shù)，提高釩資源利用效率。傳統(tǒng)釩鈦磁鐵礦的提釩方法目前還有很多不足，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。通過創(chuàng)新釩鈦磁鐵礦的提釩方法和技術(shù)，可以增加提取釩的收率、降低成本、減少資源浪費(fèi)和降低環(huán)境污染，從而更有效地利用釩資源，提高釩資源利用效率，推動(dòng)行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成的影響也將得到有效控制。
（3）加大釩資源的回收利用。為了確保釩液流電池的可持續(xù)發(fā)展和釩資源的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)，做好釩液流電池的回收利用至關(guān)重要。在規(guī)劃釩液流電池產(chǎn)業(yè)布局時(shí)，做好每塊電池的數(shù)字化和智能化管理，建議將回收利用裝置產(chǎn)業(yè)布局納入其中，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將回收利用裝置與生活流程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用；在使用環(huán)節(jié)，通過合理布局回收站點(diǎn)和定期回收計(jì)劃，確保廢舊電池能夠及時(shí)、有效回收。
（4）重視境外釩鈦磁鐵礦的布局與開發(fā)。積極開發(fā)境外釩鈦磁鐵礦資源，并提前進(jìn)行戰(zhàn)略布局，加強(qiáng)與相關(guān)國(guó)家和地區(qū)的合作與交流，分享技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，共同開展釩資源勘探、開采和加工，實(shí)現(xiàn)資源共享、風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)、合作共贏。同時(shí)積極參與國(guó)際釩市場(chǎng)的規(guī)則制定和資源價(jià)格的形成，提升我國(guó)在全球釩產(chǎn)業(yè)中的話語權(quán)和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)我國(guó)釩資源戰(zhàn)略布局的全球化部署。
