中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長(zhǎng)沙市人民政府、中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)聯(lián)合主辦，100余家機(jī)構(gòu)共同支持的湖南（長(zhǎng)沙）電池博覽會(huì)暨第二屆中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)在長(zhǎng)沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會(huì)主題是“新能源、新機(jī)遇、新高度”。
會(huì)議期間，組委會(huì)邀請(qǐng)了中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員唐奡分享主題報(bào)告《全釩液流電池及其產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
唐奡：尊敬的各位與會(huì)嘉賓，大家上午好！我是中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的唐奡，非常榮幸有機(jī)會(huì)能夠參加中國(guó)國(guó)際新型儲(chǔ)能技術(shù)及工程應(yīng)用大會(huì)液流電池分會(huì)。這次由于嚴(yán)川偉老師臨時(shí)因故無法參加本次會(huì)議，他特意囑咐我代他向液流電池分會(huì)做PPT的報(bào)告與交流。
今天報(bào)告的題目是全釩液流電池及其產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，我的報(bào)告將分為如下五個(gè)部分組成。首先簡(jiǎn)要介紹一下“雙碳”戰(zhàn)略與儲(chǔ)能關(guān)系，然后聚焦大規(guī)模儲(chǔ)能以及賽道技術(shù)，特別重點(diǎn)介紹一下釩電池技術(shù)的現(xiàn)狀、趨勢(shì)以及產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，最后我們還將簡(jiǎn)要的分析釩資源市場(chǎng)問題與解決思路。
首先，全球氣候變化正在對(duì)人類社會(huì)構(gòu)成巨大的威脅，全球邁進(jìn)“碳中和”是氣候變暖背景下的必經(jīng)之路，也是地球可持續(xù)比較的必然選擇，在《巴黎協(xié)定》簽約5年之后，我們中國(guó)向全世界宣布要實(shí)現(xiàn)2030年“碳達(dá)峰”、2060年“碳中和”這一宏偉的國(guó)家目標(biāo)，這不僅是我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的國(guó)策，也是基于科學(xué)論證的國(guó)家戰(zhàn)略?；诳稍偕茉吹男滦碗娏ο到y(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略的重要基礎(chǔ)支撐，但是可再生能源存在著間歇性和波動(dòng)性，所以配備大規(guī)模的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)是新型電力系統(tǒng)發(fā)展的必由之路，“雙碳”戰(zhàn)略對(duì)儲(chǔ)能發(fā)展有哪些影響？首先確立了儲(chǔ)能戰(zhàn)略性支撐定位，其次，明確了儲(chǔ)能規(guī)模，并且明確了節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，最后“雙碳”戰(zhàn)略要求我們必須用可靠的技術(shù)路線，儲(chǔ)能技術(shù)必須要安全、可靠、經(jīng)濟(jì)，并且有可持續(xù)性。
我國(guó)目前的儲(chǔ)能及新型儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模如何？
首先我們看2030年我國(guó)風(fēng)電、光伏裝機(jī)量將達(dá)1800GW，占總裝機(jī)的25%，而儲(chǔ)能按照13%去匹配大概有234GW，這時(shí)候新型儲(chǔ)能的市場(chǎng)規(guī)模，我們以4小時(shí)2000元每千瓦時(shí)計(jì)算大概有1萬億元。至2050年，我國(guó)風(fēng)電、光伏裝機(jī)規(guī)模將進(jìn)一步增加到約5500GW，儲(chǔ)能規(guī)模也將進(jìn)一步擴(kuò)大，總的算下來市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步增加到5萬億元。
簡(jiǎn)單介紹了“雙碳”戰(zhàn)略和儲(chǔ)能關(guān)系之后，我們?cè)賮砜茨壳按笠?guī)模儲(chǔ)能技術(shù)都有哪些可以選擇的儲(chǔ)能技術(shù)路線。（圖）這張圖非常直觀的給出了各種儲(chǔ)能形式適合的規(guī)模與市場(chǎng)，從圖中可以看到在小時(shí)級(jí)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能賽道上，以抽水蓄能、壓縮空氣和應(yīng)用電池技術(shù)為主是比較適合的。而鋰離子電池、鉛酸電池等化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)更適用于中長(zhǎng)時(shí)或短時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，或者說大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)必須具有什么樣的特征？我們認(rèn)為本質(zhì)安全是長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)必須具備的根本特征，因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)的安全性將直接影響到我們電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，因此我們必須保證大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)要足夠安全。除了本質(zhì)安全之外，大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)還應(yīng)具備哪些要求呢？首先，我們認(rèn)為其技術(shù)特性必須要適合，其技術(shù)本身適合大規(guī)模儲(chǔ)能、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能。其次，經(jīng)濟(jì)性要好，能賺錢，可以進(jìn)行商業(yè)化操作與運(yùn)行。基于上述要求，目前我們認(rèn)為大規(guī)模儲(chǔ)能賽道上還是以抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和液流電池為主，當(dāng)然在未來也不排出有其他新型的技術(shù)加入到儲(chǔ)能賽道中來。
下面我們簡(jiǎn)單看一下這幾種儲(chǔ)能技術(shù)，首先是抽水蓄能，原理很簡(jiǎn)單，是用富裕的電能將下水庫(kù)的水抽至上水庫(kù)，在電力不足時(shí)用上水庫(kù)水推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。它的特點(diǎn)比較成熟，是大規(guī)模儲(chǔ)能，但是缺點(diǎn)環(huán)境要求比較高，可見資源有限，而且建設(shè)周期比較長(zhǎng)。相比于抽水蓄能，壓縮空氣的原理是利用富裕的電能將空氣壓縮至儲(chǔ)氣室，一般是以地下洞穴為主，電力不足時(shí)將空氣膨脹釋放并推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，壓縮空氣的儲(chǔ)能特點(diǎn)，它也是一種物理儲(chǔ)能方式，比較適合于大規(guī)模的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能，唯一的問題在于傳統(tǒng)的技術(shù)效率偏低，大概在20%左右，但是目前經(jīng)過新的開發(fā)，新型技術(shù)可以達(dá)到60%以上。相比于剛才說的抽水蓄能和壓縮空氣，液流電池技術(shù)由于水系特征本征安全，而且其容量和功率可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，壽命長(zhǎng)。除此之外，液流電池技術(shù)經(jīng)過近十年的快速發(fā)展，其技術(shù)進(jìn)步非常明顯，同時(shí)還有進(jìn)一步提升的空間，所以是未來長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)中非常具有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)路線。
我們把上述三種儲(chǔ)能技術(shù)做一個(gè)簡(jiǎn)單的比較，可以看到對(duì)于釩電池來講，以釩電池為例，我們的系統(tǒng)效率大概能達(dá)到75%左右，而響應(yīng)時(shí)間在毫秒到秒的級(jí)別，建設(shè)周期相對(duì)來說也較短，適合規(guī)模大概在100KW-500MWh不等，儲(chǔ)能時(shí)間當(dāng)然是越長(zhǎng)越好，我們這里面典型的就是3-10小時(shí)為主，壽命大于20年，并且功率和容量就可以獨(dú)立設(shè)計(jì)靈活性，選址還不受限制，并且技術(shù)的進(jìn)步空間足夠大。當(dāng)然我們也看到了儲(chǔ)能技術(shù)的需求是多層次和多樣的，因此除了上述三種長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)之外，目前鋰電和鈉離子電池也是具有各自特點(diǎn)的。例如鋰電池它的產(chǎn)業(yè)鏈成熟、性能良好，它當(dāng)然是車載動(dòng)力不二選擇，但由于安全性限制，比較適合較短時(shí)長(zhǎng)的儲(chǔ)能或者特種儲(chǔ)能，因此可以有效來規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。而鈉離子電池一定程度解決了鋰電池的資源問題，但是仍有安全性的局限，因此我們認(rèn)為它是比較適用于適當(dāng)規(guī)模和較短的儲(chǔ)能技術(shù)。
簡(jiǎn)單介紹一下大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的路線，再具體聚焦一下釩液流電池技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。
對(duì)全釩液流電池而言，如果我們以電流密度作為一個(gè)代表性的指標(biāo)，近十年的演化和發(fā)展大概可以分為如下幾個(gè)接單。首先是10年前的時(shí)候，液流電池的運(yùn)行電密大概在50毫安每平方厘米左右，經(jīng)過五年的發(fā)展能達(dá)到100毫安每平方厘米。目前，我們認(rèn)為普遍的電密技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)150-200毫安每平方厘米電流密度的運(yùn)行，我們期待未來兩年之后技術(shù)進(jìn)一步提升，可以進(jìn)一步提升電密到300左右。就目前的指標(biāo)而言，我們認(rèn)為釩電池基本上達(dá)到了產(chǎn)業(yè)化的要求。首先其基本實(shí)現(xiàn)了像其他電器設(shè)備一樣可以穩(wěn)定運(yùn)行，出問題概率比較小。其次，基本能夠?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化操作，實(shí)現(xiàn)良性可持續(xù)發(fā)展。釩電池經(jīng)濟(jì)性能主要體現(xiàn)在全壽命周期，短期內(nèi)釩電池可與鋰電池初始投資一致，相比較之下，我們以6小時(shí)系統(tǒng)成本為例，我們預(yù)測(cè)在2021年左右可以低于鋰電成本，以4小時(shí)系統(tǒng)成本預(yù)計(jì)，在明年左右可以實(shí)現(xiàn)成本低于鋰電。釩電池儲(chǔ)能成本要素歸為三大方面，一是電堆，二是電解液，三是儲(chǔ)能的時(shí)間，以兆瓦級(jí)的釩電池儲(chǔ)能技術(shù)成本來估算，未來我們可以進(jìn)一步提升運(yùn)行電密和釩資源擴(kuò)充情況下，預(yù)計(jì)度電建設(shè)成本將可以實(shí)現(xiàn)低于2000元每千瓦時(shí)。當(dāng)釩電池儲(chǔ)能初始建設(shè)成本與抽水蓄能相當(dāng)時(shí)，其靈活性優(yōu)勢(shì)勢(shì)必會(huì)使釩電池更具有市場(chǎng)發(fā)展前景與優(yōu)勢(shì)。
介紹完釩電池技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)，再看目前釩電池產(chǎn)業(yè)鏈及發(fā)展?fàn)顟B(tài)。
（圖）這張圖非常完整的介紹了釩電池目前產(chǎn)業(yè)鏈的情況，大致從容量、功率和應(yīng)用來做分類，容量方面主要就是電解液的制備，原料上工藝單元主要涉及到關(guān)鍵材料，如隔膜、雙極板、電極。應(yīng)用方，需要我們做BMS和PCS的設(shè)計(jì)和開發(fā)。首先我們看電解液，目前釩電池常規(guī)的電解液還是以硫酸作為支持電解液為主，也有混酸的電解液體系，擁有更高的濃度以及更寬的溫度窗口。常規(guī)的電解液制備流程大致如下圖所示，我們首先將這種含釩的原料提取出來之后轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生五氧化二釩，最后再進(jìn)一步通過電解或者還原方法制備成電解液。目前也在開發(fā)短流程的工藝，目前對(duì)于經(jīng)典工程來講程度也比較高了，而短流程工藝也開始了工程化驗(yàn)證，整個(gè)過程成本預(yù)計(jì)有進(jìn)一步的下降空間，大概在20-30%左右。對(duì)于離子膜來講，目前分為兩大類型，第一個(gè)是篩分膜，以多孔膜為主，主要依靠孔徑選擇性阻隔釩離子，而使得氫離子可以自由通過。另一種就是常見的離子膜，以質(zhì)子交換膜為主，靠膜結(jié)構(gòu)中官能團(tuán)和離子簇進(jìn)行傳導(dǎo)氫離子，主要就是下面的全氟磺酸離子膜。全氟磺酸離子膜它的成膜工藝大家也比較熟悉了，主要是要有四氟乙烯，最后通過溶液澆鑄產(chǎn)生膜的產(chǎn)品。目前樹脂合成也可以基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，并且膜制備實(shí)現(xiàn)了連續(xù)化的批量生產(chǎn)。除了膜和電解質(zhì)之外，雙極板也是電堆制造過程中重要的部分材料，雙極板材料可以大概分為兩大類，一個(gè)是基于片層石墨，它的特性是導(dǎo)電性好，加工工藝不適合高效率的制造。另外一種就是比較常見的碳塑復(fù)合材料。它導(dǎo)電性偏弱，但是比較適合于大批量的高效生產(chǎn)，成本相對(duì)比較低，當(dāng)前的產(chǎn)品其實(shí)工藝完全可以滿足現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化的需求，未來技術(shù)發(fā)展可能需要進(jìn)一步考慮，開發(fā)相應(yīng)的高性能的雙極板結(jié)構(gòu)。
電極材料可以說是我們電堆最重要的核心材料部件。目前電極材料還是以聚丙烯腈石墨氈為主，其他多孔材料也具有一定可行性，但是需要依托需求進(jìn)行相應(yīng)的開發(fā)。目前，我們?cè)谥苽涫珰郑蛘哒f電極的過程中，第一步的“預(yù)氧化絲”是受到國(guó)外控制，受控于國(guó)外。第二步的“原氈針刺”基本上可以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，后面的幾個(gè)步驟，碳化、石墨化和活化是目前國(guó)內(nèi)的電極廠商能夠完全實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前產(chǎn)品工藝也是完全可以滿足現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化的需求，未來我們希望可以進(jìn)一步打通上游工藝技術(shù)環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)電池行業(yè)起到更積極的促進(jìn)作用。
總結(jié)一下，可以看到在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上有如下這些企業(yè)，比如說以電堆和系統(tǒng)集成為主的，像我們耳熟能詳?shù)娜诳啤⑵漳?、偉力得、大力電工、上海電氣、南瑞、?guó)家能源集團(tuán)、信心釩鈦、寰泰儲(chǔ)能、杭州德海艾科、開封時(shí)代等等。雙極板，像威海南海、博融材料、遼寧科京等等為主。隔膜是以科潤(rùn)，包科京新材料、國(guó)潤(rùn)、東岳等為主。電極目前國(guó)內(nèi)制備生產(chǎn)的企業(yè)比較少一些，目前還是以遼寧金谷和四川潤(rùn)生為主。電解液包括像川威集團(tuán)、攀鋼集團(tuán)、博融新材料、湖南匯峰、銀峰、平凡礦業(yè)等等。
最后，我們?cè)賮砜匆幌聦?duì)于目前產(chǎn)品優(yōu)化技術(shù)的原則是什么，可以說在未來的發(fā)展過程中，我們首要的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高電密下高效運(yùn)行。核心是降內(nèi)阻，或者說降極化來提高效率，以及提高溶液的使用率，內(nèi)阻大概可以分為這幾大方面，一個(gè)是歐姆極化，一個(gè)活化極化，一個(gè)是濃差極化，這些極化都跟材料相關(guān)，所以未來我們還需要在材料的設(shè)計(jì)，或者是材料的優(yōu)化上做進(jìn)一步的工作。此外，能量效率及影響因素包括膜的滲透、副反應(yīng)等等，包括利用率的情況，也是跟充放電的工作機(jī)制相關(guān)，未來不光是需要有更高性能的材料，還需要進(jìn)一步優(yōu)化電池充放電的運(yùn)行條件，從而實(shí)現(xiàn)整體性能的提高。
介紹完了產(chǎn)業(yè)鏈及發(fā)展?fàn)顟B(tài)之后，最后再來看釩資源及市場(chǎng)問題與解決思路。
目前釩的產(chǎn)業(yè)規(guī)模大致如上圖所示，以中國(guó)為例，這兩年都是生產(chǎn)13萬噸，消耗13萬噸左右。來源途徑分三大類，第一是釩渣，就是以釩鈦磁鐵礦為主的。第二是原礦，包括像石煤等等。還有固廢，重油灰、廢催化劑等等。在現(xiàn)在的“雙碳”戰(zhàn)略釩需求量到底是什么樣的？我們簡(jiǎn)單做了一個(gè)估算，以新增儲(chǔ)能121GW的20%為例作為估算的情況下，我們得出了到2030年需要年均數(shù)萬噸的規(guī)模，到2050年按照新增儲(chǔ)能660GW的20%來計(jì)算，大概需要24萬噸每年。
釩資源，通過分析我們發(fā)現(xiàn)，我們完全足以支撐未來幾年的發(fā)展，因?yàn)槲覀內(nèi)虻拟C儲(chǔ)量1.1億噸，中國(guó)基本上占了47%。此外，還有豐富的石煤礦釩資源，所以我們認(rèn)為未來的釩資源足夠支撐產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，提釩成本未來也將不是主要的因素，因?yàn)槟壳皝砜?，釩電池產(chǎn)業(yè)約束釩價(jià)小于10萬元每噸，石煤提釩可以在5-8萬元每噸，釩渣提釩可以低于上述兩種技術(shù)路線，因此提釩成本完全可以滿足上游和下游的商業(yè)化運(yùn)行。目前在國(guó)內(nèi)釩市場(chǎng)是什么樣的特點(diǎn)？我們認(rèn)為還是鋼鐵的江湖，鋼鐵副產(chǎn)85%的釩，消費(fèi)了90%的釩資源。具體來講，首先釩資源作為合金元素，它對(duì)提高鋼材性能作用明顯可靠，所以需求是剛性的，市場(chǎng)非常穩(wěn)定。此外，它形成閉環(huán)，自成江湖。再就是對(duì)于用戶端的價(jià)格不敏感，因?yàn)樽鳛楹辖鹪靥砑恿亢苄?，所以?duì)釩的價(jià)格波動(dòng)不是很敏感，最后產(chǎn)量受制于鋼鐵產(chǎn)能的綁定，不易進(jìn)行市場(chǎng)大幅調(diào)整釩產(chǎn)量。因此我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段的釩市場(chǎng)與釩電池產(chǎn)業(yè)有點(diǎn)不太兼容。首先是價(jià)格敏感度上，釩電池儲(chǔ)能因釩成本占比大，對(duì)釩價(jià)非常敏感；二是受鋼鐵產(chǎn)能捆綁，難以為釩電池儲(chǔ)能供應(yīng)足夠的釩。如果一啟動(dòng)大量釩電池的項(xiàng)目，釩價(jià)就會(huì)隨之迅速上漲。
如何去解決這一問題呢？我們認(rèn)為還是要繼續(xù)拓展釩源，最終形成可以容納釩電池儲(chǔ)能大市場(chǎng)?？梢詮脑V開發(fā)，尤其是石煤釩的開發(fā)，以及固廢，含釩服廢物的開發(fā)利用。對(duì)上述的內(nèi)容做個(gè)簡(jiǎn)單小結(jié)，釩電池技術(shù)與成本已經(jīng)接近，并且滿足商業(yè)化的發(fā)展要求，并且已經(jīng)形成了比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。釩資源目前也足夠豐富，我們認(rèn)為未來足夠支撐釩電池儲(chǔ)能的發(fā)展。目前產(chǎn)業(yè)鏈的挑戰(zhàn)在于釩電池市場(chǎng)與釩電池儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的不兼容，難以有效支撐產(chǎn)業(yè)啟動(dòng)和發(fā)展，是目前產(chǎn)業(yè)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)。如何應(yīng)對(duì)上述這些挑戰(zhàn)？我們給出如下兩個(gè)建議：1.建立釩資源大市場(chǎng)，這是根本性戰(zhàn)略，要對(duì)更多資源進(jìn)行開發(fā)，特別是石煤釩，來構(gòu)建廣泛來源的釩資源大市場(chǎng)，解決釩市場(chǎng)的供應(yīng)問題。2.產(chǎn)業(yè)化初期策略，就是釩電池的啟動(dòng)策略，我們要盡可能擁有釩，釩電池儲(chǔ)能開發(fā)商目前需要掌握釩資源，或自己擁有，或采取戰(zhàn)略合作方式來進(jìn)行運(yùn)作，以保證產(chǎn)業(yè)化向前進(jìn)一步推進(jìn)。
以上就是我今天報(bào)告的所有內(nèi)容，感謝各位嘉賓，謝謝大家！
