（報(bào)告出品方/作者：國海證券，李永磊、董伯駿、湯永?。?/p>
釩電進(jìn)入快速發(fā)展期
釩電池，即釩氧化還原液流電池（VRB），是一種較為先進(jìn)、被廣泛商用的基于金屬釩元素的氧化還原液流電池。 液流電池是指由電堆（包含電極和離子交換膜）、電解液存儲供給單元以及電池管理控制單元組成的電池類型，與其他電池 最主要的區(qū)別在于電解液的儲存方式。工作時(shí)，正負(fù)極電解液分別從正、負(fù)極電解液儲罐通過循環(huán)泵進(jìn)入電堆的正負(fù)極單元， 然后再經(jīng)管道分別回到正負(fù)極電解液儲罐，完成循環(huán)。 在電堆內(nèi)，正負(fù)極電解液活性物質(zhì)均在電極上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程中只有價(jià)態(tài)變化而無相轉(zhuǎn)化發(fā)生，正負(fù)極電解液通 過離子交換膜隔開并交換電荷。
釩電池技術(shù)及商業(yè)化能力掌握在少數(shù)國家手中
釩電池技術(shù)最早于1984年由澳大利亞新南威爾士大學(xué)提出并申請專利，經(jīng)過三十多年發(fā)展，核心技術(shù)主要掌握在日本、中國、 澳大利亞、加拿大等國家。 日本是一個(gè)電力短缺的國家，并且有多年的集團(tuán)化開發(fā)大型化學(xué)液流電池儲能系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。從1985年起, 日本住友電工(SEI) 與日本關(guān)西電力公司最早開始合作開發(fā)釩電池。之后，住友電工成為日本具備完整生產(chǎn)和組建釩電池系統(tǒng)全套技術(shù)的公司， 技術(shù)成熟度居世界首位。 北美主要以初創(chuàng)公司及小微企業(yè)為主，在美國能源部等支持下進(jìn)行了全釩液流電池商業(yè)化推廣。2021年，美國能源部宣布撥 款419萬美元資助Largo公司進(jìn)行高效全釩液流電池生產(chǎn)工藝的開發(fā)。
釩電池配置靈活，功率和容量具備加和性
釩電池的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素包括其靈活性，耐久性，安全性，環(huán)境友好性以及全生命周期成本優(yōu)勢。配置靈活性：釩電池設(shè)計(jì)靈活，功率和容量獨(dú)立設(shè)計(jì)。電池的輸出功率由電堆大小決定，增加單電池?cái)?shù)量和有 效面積，即可增加電堆功率；電池的容量大小由電解液的量決定，增加電解液的體積和濃度，即可增加電池容 量；可根據(jù)各種應(yīng)用場所和領(lǐng)域的負(fù)載大小進(jìn)行功率和容量的調(diào)節(jié)。對于大型新能源發(fā)電廠而言，增加能量存 儲容量可以降低每千瓦時(shí)的均衡成本。
新型儲能市場空間規(guī)模廣大
據(jù)CNESA統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，中國已投運(yùn)電力儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模46.1GW，占全球市場總規(guī)模的22%。其中，抽水 蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為39.8GW，占比為86.3%，較去年同期下降3個(gè)百分點(diǎn)；市場增量主要來自新型儲能，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá) 到5.73GW，同比增長75%，占比達(dá)12.5%。
隨著電力市場的逐漸完善，儲能供應(yīng)鏈配套，新型儲能憑借建設(shè)周期短、環(huán)境影響小、選址要求低等優(yōu)勢，在市場中將呈現(xiàn) 穩(wěn)步、快速增長的趨勢。據(jù)CNESA預(yù)測，保守場景下新型儲能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模在2022-2026年的年均復(fù)合增長率為53.3%， 2026年將達(dá)到48.5GW ；理想場景下 ，在2022-2026年的年均復(fù)合增長率有望達(dá)到 69.2%，預(yù)計(jì)2026年累計(jì)規(guī)模將達(dá)到 79.5GW。
離子交換膜和電極是釩電池性能、成本優(yōu)化的關(guān)鍵
電堆是釩電池的主體部分，在釩電池成本中占比35%，其核心在于離子交換膜、電極和雙極板。離子交換膜用于阻隔正負(fù)極電 解液，選擇性通過符合條件的粒子，既使得電路形成閉合，又阻礙了電解液間不同價(jià)態(tài)釩離子因交叉污染引起的自放電現(xiàn)象； 電極是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所；雙極板表面刻印有流道從而降低系統(tǒng)內(nèi)電解液流動(dòng)的壓力損失，降低泵功。
儲能打開釩需求增長新空間
電解液是釩電池重要組分
電解液是釩電池的重要組分，占釩電池成本比例約40%。釩電池正極電解液由含有V5+和V4+離子的硫酸溶液組成，在溶液中的 存在形式為VO2+ 和VO2 +，負(fù)極電解液是由含有V2+和V3+離子的硫酸溶液組成。
由于V2O5溶解度小，不能直接由V2O5粉末溶解到酸性溶液中制備電解液。出于經(jīng)濟(jì)性考慮，工業(yè)上常采用電化學(xué)溶解法或 化學(xué)還原法助溶得到高濃度釩離子溶液。前者先將少量V2O5粉末溶于硫酸，通過外加電源和持續(xù)投料，最后在電解池陰極得 到等濃度的V（Ⅳ）和V（Ⅲ）溶液，可直接用于釩電池充放電循環(huán)。后者是將V2O5粉末混合于硫酸后，再加入草酸或水合肼 等還原劑，得到V（Ⅳ）溶液，單一價(jià)態(tài)溶液最后再通過電解獲得不同價(jià)態(tài)的釩電池用電解液。
電解液上游原料主要為釩
電解液上游原料主要為釩，自然界中釩很難以單體形式存在，主要以釩礦的形式存在，釩礦是含有釩的礦物， 包括釩鈦磁鐵礦、含釩石煤、鉀釩鈾礦和石油伴生礦等。我國釩礦資源主要是釩鈦磁鐵礦和含釩石煤。
攀鋼釩鈦是國內(nèi)釩產(chǎn)品龍頭
國內(nèi)企業(yè)的釩產(chǎn)品原料主要為副產(chǎn)煉鋼的釩渣，產(chǎn)能規(guī)模較大的企業(yè)主要有攀鋼釩鈦、河鋼集團(tuán)承鋼公司、北 京建龍重工、成渝釩鈦以及四川德勝集團(tuán)等，其中攀鋼釩鈦的產(chǎn)能為4萬噸/年，位居全國第一。
龍佰等企業(yè)積極布局釩產(chǎn)品新產(chǎn)能
龍佰集團(tuán)于2022年7月發(fā)布公告擬投資25億元建設(shè)年產(chǎn)3萬噸五氧化二釩創(chuàng)新示范工程，項(xiàng)目分期實(shí)施，一期建 設(shè)年產(chǎn)1.5萬噸98% V2O5和360萬噸鐵精礦堿性球團(tuán)；二期建設(shè)年產(chǎn)1.5萬噸V2O5和360萬噸鐵精礦堿性球團(tuán)， 最終達(dá)到年產(chǎn)3.0萬噸98% V2O5和720萬噸鐵精礦堿性球團(tuán)，建設(shè)周期31個(gè)月。陜西秦楓科技于2022年2月在陜西商南縣舉行年產(chǎn)1.1萬噸五氧化二釩項(xiàng)目開工儀式，該項(xiàng)目擬投資8.9億元。湖北工建集團(tuán)于2021年4月在湖北宜都簽約釩電材料生產(chǎn)及釩電池項(xiàng)目，總投資10億元，一期建設(shè)年產(chǎn)3000噸 五氧化二釩生產(chǎn)線，二期建設(shè)年產(chǎn)6GWh釩電池生產(chǎn)線。
釩下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
在現(xiàn)代工業(yè)中，釩鐵和金屬釩主要應(yīng)用于鋼鐵冶金和航空航天行業(yè)；含釩化合物應(yīng)用于化工和電池行業(yè)；釩元 素作為材料添加劑，可用于硬質(zhì)合金、磁性、超導(dǎo)及核反應(yīng)堆材料等；釩的氧化物及其化合物充當(dāng)著色劑可有 效應(yīng)用在玻璃和陶瓷工業(yè)；最后，作為新型領(lǐng)域，釩還用于生產(chǎn)釩電池、稀土釩、釩納米和釩薄膜材料等高科 技材料。
質(zhì)子交換膜迎來新應(yīng)用
離子交換膜是釩電池關(guān)鍵構(gòu)件
離子交換膜是釩液流電池中的重要結(jié)構(gòu)部件，其可以分隔陰陽極電解液，選擇性地通過符合條件的粒子，既使得電路形成閉合， 又阻礙了電解液間不同價(jià)態(tài)釩離子因交叉污染引起的自放電現(xiàn)象。
釩氧化還原流電池的膜應(yīng)該具有以下特性：①對釩離子和水分子的滲透率要低，降低自放電傾向；②對質(zhì)子或選擇性陰離子 （硫酸根離子）有高的傳輸能力，減小膜的電阻，降低因膜內(nèi)阻造成的效率損失；③優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；④較低 的制造成本。
國外企業(yè)在質(zhì)子交換膜市場仍占主導(dǎo)地位
質(zhì)子交換膜由于制備工藝復(fù)雜，長期被杜邦、戈?duì)枴⑿裣踝拥让绹腿毡旧贁?shù)廠家壟斷。 杜邦是全球最早開發(fā)并銷售質(zhì)子交換膜的企業(yè)，早在1962年就開發(fā)出性能優(yōu)良的全氟磺酸型質(zhì)子交換膜，即Nafion系列產(chǎn)品， 截至目前Nafion膜也是全球使用最廣泛的。 目前，國外品牌全氟磺酸膜價(jià)格相對較高，以Nafion117為例，價(jià)格在500-1000美元/平方米；Nafion212價(jià)格在300-400美元/ 平方米，高價(jià)膜也一定程度抑制釩電池的推廣。以東岳、科潤為代表的國內(nèi)企業(yè)也致力于質(zhì)子交換膜的國產(chǎn)化，目前主要集中 在主流需求的全氟磺酸質(zhì)子交換膜的生產(chǎn)以及技術(shù)攻關(guān)上。
釩電池用離子交換膜市場規(guī)模有望突破6 0億元
據(jù)偉力得環(huán)評報(bào)告，每生產(chǎn)1MW的釩電池所需要消耗的離子交換膜約為830 m2，據(jù)我們測算，2021年釩液流電 池新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)到0.13GW ，消耗的離子交換膜達(dá)10.8萬平方米，預(yù)計(jì)2026年釩液流電池新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)到 4.93GW ，消耗的離子交換膜將達(dá)到409.33萬平方米,市場規(guī)?？蛇_(dá)62.60億元。
碳?xì)蛛姌O帶動(dòng)碳纖維需求增長
釩電池對電極性能有特殊要求
不同于傳統(tǒng)鋰電池電極的插層機(jī)理（電解液離子在電極層狀結(jié)構(gòu)的材料晶格中的可逆插層和脫出），全釩液流 電池的電極本身并不直接參與反應(yīng)，僅在電極表面為電化學(xué)反應(yīng)提供反應(yīng)活性位點(diǎn)。電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，這些 活性位點(diǎn)有效降低了反應(yīng)發(fā)生所需活化能，使電化學(xué)反應(yīng)順利進(jìn)行。
全釩液流電池的電極材料需要具備以下特點(diǎn)：① 電極材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，耐酸耐氧化，以確保電極具 有長的使用壽命；② 優(yōu)越的電催化活性，可以提高電化學(xué)反應(yīng)速度，即提高釩液流電池的倍率性能；③ 高比表 面積/有效電化學(xué)表面積，以保證電極與電解液充分接觸，提高單位體積電解液電化學(xué)反應(yīng)總量，即提高電解液 利用率；④ 良好的導(dǎo)電性能，可以降低電池內(nèi)阻，減小充放電過程中的電化學(xué)極化。
較多中小廠商布局碳?xì)?石墨氈
碳?xì)趾褪珰志鶎偬祭w維材料，該類材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、膨脹系數(shù)小等 一系列其他材料所不可替代的優(yōu)良性能。
目前，國內(nèi)碳?xì)?石墨氈主要是納科新材料、甘肅富萊、吉林神舟等尚未上市中小廠商進(jìn)行布局，這些企業(yè)從主流碳纖維廠采 購碳纖維，并進(jìn)一步深加工，制成碳?xì)?石墨氈銷售給下游融科儲能、上海電氣等釩電池集成廠商。
釩電池裝機(jī)量拉動(dòng)碳?xì)质袌鲆?guī)模
一方面隨著釩電池市場增長，裝機(jī)規(guī)模增加，碳?xì)中枨髮⒅本€上升；另一方面，隨著碳纖維整體需求上升，生 產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，碳?xì)謫蝺r(jià)有望得到向下調(diào)整。
據(jù)偉力得環(huán)評公告，每生產(chǎn)1MW的釩電池所需要消耗的碳?xì)旨s為1450m2 ，2021年釩液流電池新增裝機(jī)規(guī)模達(dá) 到0.13GW ，消耗的碳?xì)诌_(dá)18.9萬平方米，預(yù)計(jì)2026年釩液流電池新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)到4.93GW ，消耗的碳?xì)謱?達(dá)到715.1萬平方米,市場規(guī)?？蛇_(dá)7.22億元。
報(bào)告節(jié)選：
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精選報(bào)告來源：【未來智庫】。未來智庫 – 官方網(wǎng)站
