研报简读《钒液流电池长时储能技术未来前景可期（二）》

背景：本行研报告接《钒液流电池兼具安全与灵活的长时储能技术未来前景可期（一）》，本次着重分享钒液流电池产业链上游情况。
主要内容：本研报节选主要从产业链角度分析钒液流电池上游原材料产能产量、技术难点、在液流电池体系的重要性以及各个组成部件行业发展情况。
主要观点：（1）五氧化二钒价格对于钒电池电解液成本影响显著（2）离子膜是电堆的核心部件，其性能影响了钒电池的容量稳定性与寿命，常用的为全氟磺酸膜，依赖进口（3）电极部件以碳素类材料为主流路线，国内企业配套能力强（4）小型电堆多使用改性石墨双极板，大功率电堆多使用碳塑复合双极板（5）电堆的数量与大小决定了钒电池的功率水平，目前钒电池系统企业多进行电堆自产（6）电解液为核心能源单元，残值高回收价值大

一、钒液流电池产业链

（一）产业链示意图

（二）原材料钒资源

中国钒资源储量丰富，可实现自给自足。根据美国地质调查局数据，2022年中国钒资源（折金属钒）储量约950万吨，占全球钒总储量的36.5%，位列全球第一。2022年中国金属钒产量约为7万吨，同比-0.4%；占全球总产量的70%，位列全球第一。国内具有丰富的钒资源储量和生产能力，能够支撑下游各种应用场景的持续发展。 

金属钒的主要生产方式包括：1）钒钛磁铁矿经钢铁冶金加工得到钒渣提钒，其是目前最主要的生产方式，约贡献了国内85-90%左右的钒产量；2）含钒副产品及含钒石煤生产；3）直接来自于钒钛磁铁矿。国内钒生产行业市场集中度相对较高。2021年国内五氧化二钒产能约17.14万吨（折合金属钒产能为9.6万吨），其中钒钛股份、河钢股份、成渝钒钛分别以4.0/2.2/2.0万吨的年产能排名前三，CR3为47.8%。
钒目前主要应用在钢铁领域，钒电池的持续放量有望带来钒需求的可观增量。钒的主要应用领域包括钢铁、化工、钛合金及钒电池储能等，其中钢铁领域用钒占比超过80%。2022年在国内钒电池蓬勃发展，其在国内消耗约9000吨五氧化二钒，同比+80%以上，在国内钒资源消费比例达到8.2%，同比+4pct。我们假设2026年全球钒液流电池装机达到19.6GWh，对应五氧化二钒需求约为15.7万吨（折金属钒8.8万吨），为钒需求带来可观增量。
五氧化二钒价格对于钒电池电解液成本影响显著。根据大连融科数据，1GWh钒电池对应电解液需要8000吨的五氧化二钒。如果五氧化二钒价格增加1万元/吨，那么电解液成本将增加0.08元/Wh。

（三）离子膜：国产替代正当时

离子膜是电堆的核心部件，其性能影响了钒电池的容量稳定性与寿命。钒电池中离子膜主要起着阻止正负极活性物质互混、传导氢离子的作用。离子膜需要具备：1）良好的导电性，2）较优的机械性能，3）高离子选择性，4）良好化学稳定性等。离子膜的性能将会直接影响钒电池的稳定性、寿命等。
全氟磺酸膜是目前钒电池中最常用的离子膜，但目前主要依赖进口。PSVE单体（全氟磺酰基乙烯基醚）与四氟乙烯共聚制成全氟磺酸树脂，树脂熔融挤出或流延之后即可得到全氟磺酸膜。全氟磺酸膜凭借其良好的导电性以及出色的稳定性，成为目前在钒电池产业化应用最广泛的离子膜。全氟磺酸膜行业的核心壁垒在于：1）PSVE单体（全氟磺酰基乙烯基醚）制备反应条件苛刻（需无水、惰性气体保护等条件）且专利保护完全；2）四氟乙烯易爆炸、运输难度大，生产全氟磺酸树脂的企业多需要具有四氟乙烯自供能力；3）聚合复杂度高，全氟磺酸树脂需要PSVE单体、四氟乙烯、六氟丙烯等进行多元聚合，反应条件控制难度大；4）成膜技术要求高、工序繁琐，部分环节专利被海外企业把控。据高工氢电统计，2021年中国液流电池国产膜占比为23.1%，进口膜占比为76.9%。而科慕（原杜邦）的Nafion膜在国内市场份额高达75%。
国内企业加速全氟磺酸膜国产化，并且积极进行其他离子膜探索。国内企业全氟磺酸膜的性能持续提升，有望凭借性价比优势加速进口替代。目前，苏州科润、东岳未来氢能等在国产化方面进展领先，亿华通旗下上海神力、国润储能等均积极加快产品研发与布局。

（四）电极：碳素类材料为主流路线，国内企业配套能力强

电极主要为活性物质提供反应场所，是电堆的重要组成部分。与锂离子电池不同，钒电池的电极不含活性物质，只为活性物质提供电化学反应场所，其自身也并不参与反应。电极通常具备电导率高、机械性能好、耐强酸腐蚀、化学稳定性好等性能，主要电极材料包括金属类电极、碳素类电极等。
碳素类电极碳毡/石墨毡是目前钒电池电极主流方案。金属电极虽然导电性好、机械性能好，但是部分金属电极电化学可逆性差、且整体成本较高，故而并未实现大规模应用。碳素类电极，特别是碳毡/石墨毡，凭借制备工艺成熟、导电性能优、化学稳定性强以及成本低，成为目前钒电池主要电极材料。碳纸较碳毡/石墨毡厚度更薄，可使得电堆各部件更加紧凑，更利于实现小型化、从而提升电池功率密度；其有望成为下一代电极材料。
电极主要依托国内企业生产。碳毡/石墨毡均为碳纤维材料，二者是烧制温度不同的产品，石墨毡烧制温度更高、含碳量更高。国内主要的碳毡/石墨毡生产企业包括江油润生、辽宁金谷、江苏普向等。而碳纸由于制备工艺复杂，生产企业多以日本东丽、加拿大Ballard、德国SGL、美国AvCarb等国外企业为主。

（五）双极板：电堆重要结构件

双极板是钒电池电堆的重要结构件，主要功能为隔离正负极电解液、汇集电流和支撑电极等。双极板通常需具备高导电性、高机械强度、耐腐蚀等性能，目前主要包含石墨双极板、金属双极板、碳塑复合双极板等技术路线。
小型电堆多使用改性石墨双极板，大功率电堆多使用碳塑复合双极板。改性石墨双极板导电性好、耐腐蚀、价格低廉且技术成熟，但是装配时易碎，只适合用于小型电堆。碳塑双极板电导率高、强度高，主要用于大功率电堆中。石墨双极板的主要生产企业包括华熔科技、上海弘枫、开封时代等；碳塑双极板主要生产企业为嘉兴纳科等。此外，中国科学院大连化物所也开发出新一代高导电、高韧性、可焊接的碳塑复合双极板，并实现批量化生产。

（六）电堆：钒电池核心功率单元

电堆的数量与大小决定了钒电池的功率水平。单电池主要由离子膜、电极、密封垫、电极框、双极板等组成。电堆则是将多个单电池采用压滤机的方式叠合紧固，而后通过焊接等工序制备而成。大功率的钒电池可以通过增加电堆数量或者增大电堆电极的面积来实现功率提升。电堆制造企业往往需要将各类耗材、电子元器件等装配到一起，特别是大功率电堆，对于叠合装配的技术和工艺经验要求更高，行业具有较高的壁垒。 

资料来源：张华民.全钒液流电池技术最新研究进展.储能科学与技术（2013），国信证券经济研究所整理
电堆降本的主要手段：1）通过优化电极材料性能等方式，提升电堆功率密度；2）优化电堆组装工艺，如依托激光焊接技术将离子膜与电极框直接密封、减少密封垫使用来降低成本。
目前钒电池系统企业多进行电堆自产。钒电池系统主要由电堆、电解液、储液罐、电池管理系统、逆变器等组成；电解液和电堆是核心构件。电池管理系统、逆变器等产品多由锂电储能产业链中相关企业直接提供。因此，国内目前多数钒液流电池企业在产业化初期，多采用电堆自产的方式来控制成本和优化功率性能。目前国内领先的电堆生产企业包括融科储能、北京普能、上海电气等。

（七）电解液：核心能源单元，残值高回收价值大

电解液钒离子浓度决定了钒电池系统的能量密度。电解液是不同价态的钒离子水溶液（正极为+4/+5价，负极为+2/+3价），其分别存储在正负极储液罐中。电解液常见支撑电解质包括：盐酸、硫酸、盐酸-硫酸混酸。理论上1kWh钒电池需要5.6kg的V2O5，但由于电解液实际利用率仅在70%左右，故而实际生产中1kWh钒电池往往需要8kg的V2O5。
电解液的制备方式包括：1）物理法：将高纯VOSO4直接溶解于硫酸溶液，该方法操作简单，但是VOSO4成本高、且电解液钒离子浓度较低，使得电池能量密度较差。2）化学还原法：使用还原剂将V2O5还原成易溶于水的VOSO4或混合价态的钒离子，再溶解于酸中。该方法操作及设备简单，但是操作较复杂且容易引入杂质元素。3）电解法：将VOSO4或V2O5在酸溶液中进行电解还原得到低价的钒离子溶液，该方法工艺简单、且具有产业化可行性，但是设备复杂。
目前电解法与化学还原法是主流的电解液制备方式。电解液发展趋势：1）高浓度电解液能够提升能量密度。2）高稳定性电解液能够避免电池使用中较快产生沉淀，提高电池效率；同时减少系统的热管理负荷，降低成本。3）高活性的电解液能够提高传质速度，提高电解液利用率。
电解液残值高，可回收利用。钒电池电解液反应过程中无明显损耗，电解液的残值可以做到原有的70%。我们假设储能时长为4h的钒电池系统初始建设成本为3元/Wh，其中电解液成本为1.5元/Wh、其他零部件成本为1.5元/Wh（折合6元/W）；那么使用后回收电解液残值为1.05元/Wh，其他金属假设残值为0.075元/Wh（折合0.3元/W）的话，那么4h的钒电池系统实际投资成本为1.875元/Wh，名义初始投资成本下降38%。同时更高储能时长的系统实际单Wh投资成本下降幅度更大。由此企业可以通过电解液租赁等商业模式降低初始投资成本，以此降低电池系统投资成本。国内生产电解液的主要企业包括大连博融、湖南银峰、星明能源、湖南银锋、河钢股份等。

二、钒电池产业链企业梳理

资料来源：各公司官网，国信证券经济研究所                            

 【原文发表在首善控股公众号】


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创建时间：2024-04-07 09:53
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