首页 科技资讯 观点

还没搞懂锂、氢、钠,钒又来了

锦缎 | 来源

知勇 | 作者

不提供二次转载

新能源发展的一大主线就是技术进步。正因为如此,我们的研究报告,迄今从三元电池、磷酸铁锂电池、4680电池,到氢燃料电池,再到钠离子电池,基本做到了全域覆盖。锂、氢、钠三大类电池玩家已经相对清晰:不同类型的电池互为补充,共同推动着新能源革命大潮。

不过最近突然冒出了新玩家——钒电池,令不少投资者措手不及。

一是大家此前都没怎么听到过钒电池的消息,更不确定A股有没有纯正标的;二来,“凭空出现”的钒电池,跟“氢、锂、钠”都不是同族元素。新能源真是越来越卷,炒化学元素周期表都变成了随机游走。难怪大家调侃:“投资新能源还需要问问门捷列夫是怎么想的。”

一直以来,在新能源这条大赛道上,大家的投资视角始终围绕着“氢、锂、钠”:氢燃料电池什么时候规模化量产;特斯拉4680电池要来了、麒麟电池明年要上量;宁德时代发布钠离子电池。对于这陌生的钒电池,姑且算他是“黑科技”吧,等这波热度过去就好了。

其实不然,自19世纪60年代后期开始的第二次工业革命将人类带进电气时代以来,电力在人类社会变得不可或缺,而电池技术的发展也深度融入到历史进程当中。如今进入到能源革命时代,电池技术的研发和创新更是成为能源转型的胜负手。

本文作为的新能源系列篇,也是钒电池的开篇,将携手“氢、锂、钠”,认识钒电池的前世、今生和未来。

01

钒电池是什么来路?

1.工作原理

钒电池,全称为全钒氧化还原液流电池。乍一看这长串的名字,是不是有点懵。别着急,我们按顺序一个个拆解。

第一,所谓全钒,按照字面意思理解,是因为电池的正负极都是钒。作为类比,磷酸铁锂电池正极是磷酸铁锂,负极是石墨;铅酸电池的正极是二氧化铅,负极为铅。

第二,氧化还原,这点大家好理解,即电池的基本原理。氧化还原反应的过程有电子得失,电子的移动就形成了电流。

第三,之所以叫液流电池,是因为正、负极均为液体。可以想象成正负极和电解液“合体”了,电池能量直接存储在液态的电解质中。当然,有“合”就有“分”,钒电池的电解液和电堆是分开的。

为了方便理解,我们回顾下锂电池。锂电池的正负极之间是充满电解液,通过隔膜分开,电池能量主要储存在固体的电极材料中。这也是钒电池和锂电池最大的区别。

接着再看钒电池的工作过程。我们所熟悉的“摇椅式”锂电池的工作原理是锂离子在摇椅的两端(正极和负极)来回奔跑,即完成了充放电的过程。而钒电池并不“存在”正负极,不需要跑远了,只用在自家门前跑——正负极电解液各自按照既定路线流向电堆即完成充放电的过程。

图:全钒液流电池工作原理示意图;资料来源:百度,锦缎研究院整理绘制

2.钒电池结构特点

因为钒电池的电解液和电堆是相互独立的,电解液单独存放在外部的储罐中,另外由于电解液是无法单独流向电堆的,需要通过外部的泵和管路输送内部。

所以肉眼可见,钒电池就是个大块头。举个不是特别恰当的例子,如果锂电池是手机,那么钒电池就是座机。

常见的钒电池主要由两个装电解液的储罐、电堆、循环泵和管路组成。如果把储罐比作汽车的油箱,电堆就是发动机,储罐中的电解液通过循环泵不断输送到电堆内,电堆则负责充放电。

钒电池的另一大特点是设计灵活,可以按需组合、定制。你不同纠结大杯、中杯,还是超大杯。

展开来讲,钒电池的功率单元和容量单元是相互独立的“解耦设计”,储罐中的电解质决定电池容量,电堆的大小和数量决定电池的输出功率。也就是说,要增加电池容量,就相应增加电解液储罐数量;要提高输出功率,只要增加电堆的数量就可实现。是不是很像火车的设计?你想多拉乘客,就增加车厢数量;你想加大马力,那就换上大功率的火车头。

以融科储能的钒电池储能系统为例,功率250kW的钒电池系统由功率集装箱(20尺)、2个外置储罐、电池管理系统及管路等辅件构成。如果需要500kW的钒电池系统怎么办呢?将2个功率集装箱串联后,增加2个外置储罐,接入一台500kW变流器,即可实现。

以此类推,钒电池可以组合成更大规模电池组,其输出功率可达数百兆瓦,可以存放数十万度电。看到这里,是不是觉得钒电池也并不是“一无是处”。

图:融科储能500KW钒电池储能系统;资料来源:融科储能官网

3.钒电池的运行优势

1)安全性好

钒电池使用的正、负极电解液均为极不易燃的无机水溶液(后面章节会重点介绍),有多安全呢?即使正、负极电解液意外发生混合也不用担心。大家都是钒离子家族(正极电解液为5价钒和4价钒,负极电解液为3价钒和2价钒),不可能“大打出手”的。

那有人要问了,电池运行过程中温度过高怎么办?确实,和锂电池、钠离子电池等一样,钒电池在充放电过程中也会在产生热量。不过钒电池在充放电过程中,电解液是循环流动的,电堆内部产生的热量很容易就可以通过输送管路上的热交换器散热。

正因如此,钒电池的热管理系统成本也低,设计和维护方便。一般采取直冷或空冷的方式进行热管理,类似汽车发动机舱内的冷却系统。当电解液温度上升到一定程度时,冷却系统即启动,从而保持电池系统运行在最高效的温度区间。

2)电池一致性好

对于单个电池,比如手机内置电池或两轮电动车,不用过多考虑电池均一性,但如果是大量电池串联组成的电池包系统,电池一致性可就成为重要指标。

一般情况,一辆使用方形电池包的电动车上有一百多个电芯,而特斯拉用的圆柱电池更是有上千个电芯。随着电池充放电的运行,单个电池的内阻、荷电状态、温度等均会发生不同程度的变化,导致差异性逐渐变大,使得电池系统安全、可靠运行风险增大。所以锂电池企业也在制造过程不断提高电池在出厂时的一致性。

对于钒电池,电解质溶液始终是循环流动的,正负极电解液从各自的储罐容器中抽出,最后进入到电堆时自然具有相同的状态,天生就具备不错的一致性。

3)使用寿命长

先直接抛出结论,钒电池很长寿。具体是怎么实现的呢?因为钒电池的电解液在充放电时不像其它多数电池一样发生物相变化(注:不会生成新的物质,始终都是钒离子,只不过是不同价态),电池容量的损耗就很少,所以钒电池的寿命往往能超过十年。

期间当电池使用较长时间,其性能下降之后,可以通过修复电解液活性来恢复一定的性能。如果最后钒电池系统寿命到期,电解液还是不会浪费,既可以应用到新的电池系统中,也可以作为钒资源进行提纯加工,最终实现电解液的循环利用。

图:钒电池电解液的综合利用示意图;资料来源:融科储能官网

02

已有“氢、锂、钠”,钒电池作何之用?

行文至此,大家已经熟悉钒电池的特点——安全性高、循环寿命长、容易扩容、对环境友好。可在我们日常生活当中,却几乎见不到钒电池的身影。

究其根本,钒电池短板同样也明显——体积大、能量密度低,还有成本高。

尤其是电解液和电堆分离设计导致的占地面积大确实是硬伤。光论这一点,显然跟我们的日常使用场景格格不入:手机、家用电器等对电池的要求是体积越小越好,就连电动大巴车的底盘里也巴不得能多装进一块电池。

为什么能量密度低呢?其实这是由“出身”决定的。钒电池的电解液是储存在罐子中,占地空间已经不小了,同时还需要用泵来维持电解液的流动,这也造成不少的能量损耗,目前钒电池的能量转化效率为70-75%,大幅低于锂电池(90%)。同时,钒离子的溶解度较低,正负极的电解液无法达到理想中的高浓度。

最终,以上因素叠加导致钒电池的能量密度低的有点上不了台面,仅为12-40Wh/kg。这是什么概念?比因为笨重而饱受诟病的铅酸电池的能量密度还低。

如果和锂电池相比,要存一样的电,钒电池的体积一般要大5倍以上。所以,我们也很容可以得出结论:智能手机、便携家用电器等消费品根本不是钒电池的“菜”。那些想蹭一波热点,认为钒电池要撼动锂电池地位的想法显然是片面的,毕竟他们压根就不在同一条跑道上。

接着再来看看成本。钒电池初装成本较高可以说是钒电池最大的缺点,也是制约行业发展的一大痛点。目前钒电池价格仍然是锂离子电池的2倍以上,跟成熟的铅酸电池相比更是没有价格优势。

图:国内部分钒电池项目信息及成本计算;资料来源:北极星储能网,光大证券

到这里,想必有不少人看不下去了,既然钒电池体积大、能量密度低的问题基本无解,大部分使用场景被拒之门外。为什么资本市场还要把钒电池拿到台面上讲,难道真的是爆炒一波?

中国有句名言:尺有所短,寸有所长。相比锂电池这样轻便灵活的“移动硬盘”,钒电池更像是大容量“硬盘”。钒电池有着大规模、高安全、长寿命的技术优势,能够在大规模、大容量的场景发挥比较优势,最典型的应用场景就是配套风电、光伏的储能。

对于成本方面,我们的看法是,现阶段钒电池确实是比锂电池贵不少。但看一个技术的前景,也要看它未来的成本下降空间,能否靠技术改进和规模化来驱动。客观的讲,过去锂电池也同样遇到成本高的问题。还有现在钠离子电池和氢燃料电池也一样面临成本高的问题。

图:宁德时代动力电池成本随着大规模化生产和技术进步后快速下降;资料来源:宁德时代年报,国泰君安证券

回顾历史,钒电池技术的研究、开发与应用起始于上世纪80年代,早在1988年,澳大利亚新南威尔士大学就开发出1kW的钒电池系统。可以说,钒电池是和锂电池、燃料电池等同一时代的技术。不过后来锂电池在1991年商业化后凭借能量密度高、体积小的特点率先出圈,之后一路扶摇而上。而钒电池由于应用场景受限,一直都比较冷门。

说到底,过去我们一直需要的是更轻便,能量密度更高的电池,压根没有多少场景需要大容量电池,所以钒电池的长板毫无用武之地。但是随着能源革命的进行,可再生能源电力的增多,我们对大容量存储的需求越来越高,钒电池重新回到赛道,是符合客观规律的。

和手机、电动车不同,储能电站对能量密度和占地面积没有过多的要求。相较而言,储能电站更看重电池寿命、安全性和使用成本。比如占据储能最大份额的抽水蓄能电站,其寿命一般都长达20年甚至50年以上。在今年6月国家能源局近日发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求(征求意见稿)》中提出,中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池。

事实上,最近几年,钒电池在国内受到越来越广泛的重视。从事钒电池储能技术研究和产业发展的机构逐渐增多,包括:中科院大连化物所、大连融科储能公司、北京普能、武汉南瑞等。其中,大连化物所和融科储能公司在基础研发、产品设计、技术应用及产业化进程方面已经走在了世界前列。

也就是说,被扫进垃圾堆的钒电池意外搭上了储能的快车。

今年5月,在辽宁大连,一座超大型的钒电池储能电站迎来了并网投运。该电站为“大连液流电池储能调峰电站国家示范项目”的一期项目,已经投入的716个灰白色电解液储罐可储存400兆瓦时电量,即40万度电,可以供应近2000个家庭使用一个月。目前是全球最大的液流电池储电站,被称为“储能之王”,到二期项目全部投运后,储电能力还能翻一倍,到80万度电。乐观点说,钒电池技术的规模化应用已经进入快车道。

图:钒电池发展历程;资料来源:大连融科,北京普能,申万宏源

话说回来,电池的三个指标:能量密度、安全、寿命,就如经济学里的“不可能三角”,世界上很难有绝对完美的电池。所以我们万万不能“捡了西瓜丢芝麻”,而要根据各个产品的特性,用其所长,做到物尽其用。

从电池材料资源角度讲,有了锂电池,我们还需要想办法用好氢燃料电池、钠离子电池和钒电池。这样电池企业也不需要扎堆在一种材料上面,为原材料涨价而苦恼。据USGS统计,截至2021年底,全球已认定符合当前采掘和生产要求的钒矿储量超过2400万吨,其中,中国钒矿储量约为950万,占比39.6%,位居世界第一。跟钠离子一样,钒电池也不用担心被原材料“卡脖子”。

03

能否和锂电池、燃料电池、钠电池并肩起舞?

现阶段,业内已经充分认可钒电池的大容量存储能力和安全性。这可以归功于钒电池的先天优势。但未来要想和锂电池们一起共舞,还需要后天不懈努力。(其实同样具有先天优势的燃料电池和钠离子电池也是相似的成长逻辑)

接下来,整个钒电池产业链还要加快速度发展,在电池关键材料研究与开发、电堆设计与制造、系统集成技术等方面更进一步。

图:钒电池上游构成;资料来源:《钒液流电池电解液研究综述》,国海证券

1.电解液

电解液不仅是钒电池的重要部分也是成本的大头,占钒电池总成本比例约40%。换言之,电解液成本能否降下来成为钒电池降本的关键。

对于钒资源,我国不仅储量第一,产量也是全球第一,占比高达68%,资源可完全自给。这是国内发展钒电池得天独厚的优势。当前国内的钒资源企业主要有攀钢钒钛、河钢承钢、安宁股份、西部矿业等。其中攀钢钒钛也是全球产能规模最大的企业。

随着钒电池需求量的提升,攀钢钒钛、河钢股份等钒资源企业正积极投向电解液生产环节,将钒资源优势和电池企业的研发能力结合,形成产业协同效应,可以加快电解液的产业规模化发展。

图:国内主要钒资源企业;资料来源:光大证券

其次,前文已经提到钒电池电解液是可以循环利用,如果能够促成制造-使用-回收的产业闭环,进一步提高电解液的残值,那么钒电池全生命周期内的成本将大幅降低。同时,通过开展电解液租赁等商业模式创新,也可降低钒电池的初始投资成本,如果该模式能够走通反过来又可以促进钒电池的规模化发展。

最后,提高钒电池的能量密度也就意味着降低了电池成本。由于钒离子在电解液中的溶解度本身就不高,极大制约了电池的能量密度,而且温度过高,钒离子的溶解度也会受到影响。一直以来,钒电池企业不断研究,致力于提高电解液中钒离子的浓度,并同步改善高温下稳定性。目前电解液正从传统硫酸基质向盐酸基质等新配方升级迭代,其钒离子浓度和工作温区都有显著改善。

可以预见的是,随着技术进步和装机量的增长,以及电解液商业模式的完善,钒电池的成本有望更快进入“平价区间”。

图:钒电池成本构成;资料来源:IRENA,锦缎研究院整理

2.离子交换膜

电堆是成本占比仅次于电解液的部件,占总成本比例约35%。其中,离子交换膜是电堆内部的核心部件,不仅直接影响到电池性能,也是决定电堆成本能否快速下降的关键材料。

不过目前离子交换膜的国产化率还比较低,一直以来,国内钒电池企业主要使用的是美国杜邦生产的全氟烃膜(Nafion)。(关键性的熔融挤出压延成型技术长期为国外企业垄断)

然而,虽然Nafion膜具备优异的性能,是电堆的首选材料,但是价格过于昂贵。夸张点说,Nafion膜已经制约着钒电池的发展。因此,实现杜邦Nafion膜的“平替”,完成国产化是降低钒电池成本、推动规模化应用的有效策略。

当前国内的全氟烃膜生产企业主要有东岳集团和江苏科润,已经在国产替代方面已经取得一定成果。与此同时,大连化物所的非氟多孔离子传导膜的研究上也取得突破性进展,量产之后可以有效降低电堆成本。(限于篇幅,其他材料和系统等不做展开)

化学的世界充满无限可能,多种电池技术已经到了百家争鸣的时代。站在能源革命的视角,不同电池技术没有“颠覆”、“撼动”一说,有的只是“互补”、“共生”。希望锂电池、燃料电池、钠电池、钒电池“共舞”的场景早日到来。

*本文系基于公开资料撰写,仅作为信息交流之用,不构成任何投资建议。

官方微博/微信

每日头条、业界资讯、热点资讯、八卦爆料,全天跟踪微博播报。各种爆料、内幕、花边、资讯一网打尽。百万互联网粉丝互动参与,TechWeb官方微博期待您的关注。

↑扫描二维码

想在手机上看科技资讯和科技八卦吗?

想第一时间看独家爆料和深度报道吗?

请关注TechWeb官方微信公众帐号:

1.用手机扫左侧二维码;

2.在添加朋友里,搜索关注TechWeb。

手机游戏更多