新型储能技术百舸争流， 钒电池在长时储能领域优势明显

• 柯壮宾 2023年8月7日 来源：中研网 850 52
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钒电池尚处于商业化早期，产业链强势环节有望率先收益。上游钒资源供给刚性，自有钒矿企业铸就资源壁垒；中游关键材料商中，电解液厂商多为钒资源企业向下游产业链延伸或者电池集成商向上游一体化布局，部分隔膜材料商有望打破国外垄断；下游系统集成商由于初装成本高且

全钒液流电池（VFB）又称钒电池，主要利用钒离子的价态的变化来实现电能的储存和释放。从工作原理上来看，钒电池相比锂离子电池的最大不同在于导电离子主要为不同价态的钒离子。钒元素的价态多变，不同价态的化合物呈现不同的颜色，所以用北欧神话里的女神Vanadis（又名Freyja，爱情与美貌之神）来命名，翻译为中文就是“钒”。充电时，正极的VO2+失去电子成为VO2+，负极的V3+得到电子成为V2+；放电时则相反。从结构上看，与锂电池的电解液集成在电池内部不同，钒电池的正负极的两侧各有一个电解液储罐，通过循环泵输送至电池内部进行反应。

钒电池最早由澳大利亚新南威尔士大学Skyllas-Kazacos提出，因其具有安全性高、储能容量大、使用寿命长等特点得到了长足的发展。钒电池正负极氧化还原电对使用同种元素钒，电解液在长期运行过程中可再生，避免了交叉污染带来的电池容量难以恢复的问题；钒电池正负极反应动力学良好，无外加催化剂即可达到较高的功率密度；而且由于钒电池使用水溶液作为储能介质，避免了有机溶剂作为电解液时易燃易爆炸的安全风险，可靠性高。随着清洁能源发展对储能需求的增加，越来越多的研究单位和企业开始涉足钒电池产业化的开发，如日本住友电工、美国UET公司、英国Invinity、奥地利Enerox、澳大利亚TNGLtd公司等。

我国对钒电池的研究起步较早，目前已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。20世纪80年代末，北京大学和中国地质大学已建立了全钒液流电池实验室模型。1995年中国工程物理研究院研制出1kW的钒电池电堆样机。此后，中南大学、中科院大连化物所、清华大学、中科院沈阳金属所、北京普能、大连融科等机构开始从事钒电池的研发和商业化推广工作。2022年10月31日，全球最大的全钒液流电池储能电站建成并在辽宁大连并网发电，一期规模为100MW/400MWh。

随着储能行业的快速发展，钒电池装机规模有望进一步增长。根据国家能源局的数据，截至2022年底，全国已投运新型储能项目装机规模达870万千瓦，平均储能时长约2.1小时，比2021年底增长110%以上。2021年7月，国家能源局在《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中指出，到2025年，我国新型储能装机容量要达到30GW以上。而根据2022年11月中国电力企业联合会《新能源配储能运行情况调研报告》的数据，到2025年，国内各省规划的新型储能装机规模合计超过60GW。而钒电池作为储能技术的一种，2021年和2022年在新型储能装机中的占比分别为0.6%、2.3%，并有望随着长时储能需求的增大，渗透率进一步提升。

目前钒电池产业处在商业化早期，市场需求未打开，相关企业分为三类：上游钒矿、中游原材料商和电池集成商。现阶段钒电池产业链面临的主要问题是：成本问题制约了钒电池的规模化市场应用。后续随着产业链的完善，成本会有进一步的下降空间。

我国钒储量非常丰富，主要集中分布在四川攀枝花和河北承德等地区。在钒储量方面，根据USGS数据，我国已探明钒储量950万吨，约占全球总储量的37.6%，位居全球第一。在钒制品产量方面，根据中国钢铁工业协会的数据，2021年中国大陆钒产量约为13.6万吨，占全球产量比例约65%，其中2021年四川攀西地区的钒产量为6.2万吨，约占全国钒产量的44%，占全球钒产量的30%。在钒资源的分布上，我国目前可提取的钒矿主要分布在四川攀枝花和河北承德，其中四川攀西地区的钒储量最高，约占国内已探明钒储量的63%；其他地区如中核钛白所在甘肃省，虽然也有分布，但以含钒石煤为主，资源利用率较差。

在钒资源的应用方面，目前国内95%以上的钒产品应用在钢铁领域，2%应用在钒储能领域。从钒消费领域来看，钒制品主要应用于钢铁领域，约占90%以上。将钒应用于钢铁铸造领域，可显著提高钢铁的强度、韧性和耐磨性；钒在钛合金中可作为稳定剂和强化剂，提高钛合金的延展性和可塑性；在化工领域，钒是重要的化工原料和催化剂；在储能领域，钒电解液是全钒液流电池的重要组件。随着钒电池产业化的进行，对钒产品的需求有望快速增大，上游钒制品生产线需要进一步的规模扩大和技术升级改造。

现阶段钒资源的开发和利用以钒钛磁铁矿炼钢副产钒渣为主。我国钒资源主要为钒钛磁铁矿和含钒石煤，二者占比分别为52%，48%。不过由于石煤提钒的回收率低、环保压力大生产成本高，目前我国钒资源的开发和利用以钒钛磁铁矿为主，在产钒原料占比中为90%左右。据国际钒技术委员会（Vanitec）统计，全球约有76%的钒来自中国、俄罗斯和新西兰钢厂的副产炼钢钒渣；约13%的钒产量直接来自于钒钛磁铁矿，以南非的布什维尔德矿业公司和嘉能可公司、巴西的Largo资源公司为代表；约11%的钒由二次回收的含钒副产品（含钒燃油灰渣、废化学催化剂等）及含钒石煤生产。

提钒工艺方面，现阶段主要采用以钒渣为原料的钠化焙烧提钒工艺。高炉－转炉冶炼技术是一种传统的冶炼钒钛磁铁矿精矿的方法。在整个高炉－转炉冶炼钒钛磁铁矿的流程中，主要产生了三种炉渣，即含钛高炉渣，钒渣和钢渣。钒渣提钒工艺主要包括钠化焙烧提钒工艺、钙化焙烧提钒工艺、亚熔盐提钒工艺、无盐焙烧提钒工艺等，其中钠化焙烧提钒工艺是目前应用最广泛、最传统的提钒工艺。国内以钒钛磁铁矿为原料生产钒制品的企业有钒钛股份、建龙钢铁、承德钒钛、川威集团、德胜钒钛等。

随着储能领域对钒需求的增大和提钒技术的不断进步，未来石煤提钒在钒工业的应用比例会逐步提高。相比钒钛磁铁矿炼钢后的钒渣提钒（钒渣含钒量约为15%），石煤矿的钒含量偏低，仅为1%左右，且提钒成本明显偏高，约为6~8万元/吨，所以现阶段从事石煤提钒生产的多为中小型企业。据不完全统计，2022年我国石煤提钒在产企业有14家，总产能约为1.4万吨，主要集中在陕西商洛、河南等地区。

钢铁行业用钒需求增量有限，钒电池产业化或带动钒消耗量迅速增加。2022年，房地产行业对钢铁需求持续下降，汽车、机械行业对钢铁需求保持增长但增幅较小。根据中国钢铁工业协会数据，2022年中国粗钢产量10.13亿吨，同比下降2.1%，连续第二年下降。由于钒制品在钢铁领域的主要应用为螺纹钢等精钢领域，未来钒在精钢里的添加量有望进一步提高，因此预计短期内钢铁行业用钒不会明显减少，也不会有大幅的增长。

钒制品的供给相对刚性，未来产能增量较为有限。由于现阶段钒产品主要来源于钒钛磁铁矿炼钢后的钒渣提钒，而当前国内政策严格控制钢铁产能，因此未来采用钒渣提钒工艺带来的钒制品产能增量较为有限。石煤提钒工艺当前成本偏高，约为8-10万元/吨，且现有工艺环保压力较大，有待技术进一步成熟降低成本。

当前钒电池产业化仍处于初级阶段，相关配储政策有望进一步出台。由于当前钒电池初始投资成本偏高，中小企业的投资意愿不强，现有的钒电池储能项目多为地方政府的示范项目，建设和运营主体多为大型国有企业。而且现阶段建设的电化学储能电站配置储能时长多为2小时，而钒电池在大规模长时储能领域（如储能时长4小时以上）优于锂电池，后续随着电网侧对长时储能的需求不断增大，相关配储政策有望进一步出台，加速推动钒电池产业化进程。

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