还没搞懂锂、氢、钠，钒又来了

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新能源发展的一个主要主题是技术进步。正因为如此，到目前为止，我们的研究报告基本涵盖了所有领域，从三元电池、磷酸铁锂电池、4680电池、氢燃料电池到钠离子电池。锂电池、氢电池和钠电池对玩家来说相对清晰：不同类型的电池相辅相成，共同推动新能源革命。然而，最近突然出现了新玩家——钒电池，这让许多投资者措手不及。首先，以前没有人听说过钒电池，更不用说a股是否有纯粹的目标了；其次，凭空出现的钒电池与氢、锂和钠不是同一组元素。新能源越来越受欢迎，对化学元素周期表的猜测已经成为一种随机行走。难怪大家都开玩笑地说，“投资新能源需要问门捷列夫怎么想。”在整个新能源竞争中，每个人的投资视角一直围绕着“氢、锂、钠”：氢燃料电池何时量产；特斯拉4680电池即将上市，麒麟电池将于明年上市；宁德时代（300750）发布钠离子电池。对于这种不熟悉的钒电池，我们可以说它是一种“黑技术”，只需等待这股热潮过去。事实上，自19世纪60年代末的第二次工业革命将人类带入电气时代以来，电力在人类社会中已经不可或缺，电池技术的发展也深深融入了历史进程。如今进入能源革命时代，电池技术的研究和创新已成为能源转型的赢家和输家。本文作为新能源系列文章，也是钒电池的开端。我们将与“氢、锂和钠”合作，了解钒电池的过去、现在和未来。01钒电池的来源是什么？1.工作原理：钒电池，又称全钒氧化还原液流电池。乍一看，这份长长的名字清单可能有点令人困惑。别担心，让我们按顺序一个接一个地把它们拆开。首先，术语“全钒”的字面意思是电池的正极和负极都是钒。以此类推，磷酸铁锂电池的正极是磷酸铁锂，负极是石墨；铅酸蓄电池的正极是二氧化铅，负极是铅。其次，氧化还原是电池的基本原理，这很容易理解。氧化还原反应的过程涉及电子的获得和损失，电子的运动会产生电流。第三，它被称为液流电池，因为正极和负极都是液体。它可以想象为正极和负极以及电解质的组合，其中电池能量直接存储在液体电解质中。当然，如果有“组合”，就有“分离”，钒电池的电解质和电池组是分开的。为了便于理解，让我们回顾一下锂电池。锂电池的正极和负极填充有电解质，并由隔板隔开。电池能量主要储存在固体电极材料中。这也是钒电池和锂电池之间最大的区别。接下来，我们来看看钒电池的工作过程。人们熟悉的“摇椅”锂电池的工作原理是，锂离子在摇椅的两端来回运行，完成充电和放电的过程。钒电池没有“正极和负极”，也不需要跑很远。他们只在自己家门口跑——正极和负极电解质按照既定路线流向电池组，完成充电和放电过程。

图：全钒液流电池工作原理示意图；

资料来源：百度、博科研究院整理绘制2。钒电池的结构特点：钒电池的电解液和电池组相互独立，电解液分别储存在外部储罐中。此外，由于电解液不能单独流向电池组，因此需要通过外部泵和管道进行内部输送。肉眼可见，钒电池是一个很大的障碍。例如，如果锂电池是一部手机，那么钒电池就是一部固定电话。普通钒电池主要由两个装有电解液的储罐、一个电池组、一个循环泵和管道组成。如果将储罐比作汽车的油箱，那么电桩就是发动机，储罐中的电解液通过循环泵不断输送到电桩，循环泵负责充电和放电。钒电池的另一个主要特点是其灵活的设计，可以根据需要进行组合和定制。你在为大号、中号或大号杯子而烦恼吗。一般来说，钒电池的功率单元和容量单元是相互独立的“解耦设计”。储罐中的电解液决定了电池的容量，电池堆的大小和数量决定了电池输出功率。也就是说，为了增加电池容量，电解质储罐的数量应该相应增加；为了增加输出功率，可以通过增加堆叠的数量来实现。它和火车的设计很相似吗？如果你想吸引更多的乘客，就增加车厢数量；如果你想增加马力，那就改用大功率机车。以融科储能的钒电池储能系统为例，功率为250kW的钒电池系统由一个动力容器、两个外部储罐、电池管理系统、管道等辅助部件组成。如果需要一个500kW的钒电池系统怎么办？将两个动力容器串联后，添加两个外部储罐，并连接一个500kW的转换器来实现这一点。通过类比，钒电池可以组合成更大规模的电池组，输出功率可达数百兆瓦，能够储存数十万千瓦时的电力。看到这里，你觉得钒电池也不是“无用之物”吗。

图：融科储能500KW钒电池储能系统；

来源：融科储能官网3。钒电池的操作优势1）安全性好。钒电池中使用的正极和负极电解质是高度不易燃的无机水溶液。它有多安全？即使正极和负极电解质意外混合，也无需担心。每个人都属于钒离子家族，不可能“大打出手”。所以有人需要问，如果电池运行过程中温度过高，我该怎么办？事实上，与锂电池和钠离子电池一样，钒电池在充电和放电过程中也会产生热量。然而，在钒电池的充电和放电过程中，电解液循环，电池堆内部产生的热量可以很容易地通过输送管道上的热交换器消散。因此，钒电池的热管理系统成本低，易于设计和维护。通常，直接冷却或空气冷却用于热管理，类似于汽车发动机舱中的冷却系统。当电解液的温度上升到一定水平时，冷却系统开始将电池系统保持在最有效的温度范围内运行。2） 良好的电池一致性不需要太多考虑单个电池，例如内置手机电池或两轮电动汽车。然而，如果电池组系统由大量串联的电池组成，则电池一致性可以成为一个重要指标。一般来说，一辆方形电池组的电动汽车有100多个电池，而特斯拉的圆柱形电池组有数千个电池。随着电池充放电的运行，单个电池的内阻、充电状态、温度等因素都会发生不同程度的变化，导致差异逐渐增大，增加了电池系统安全可靠运行的风险。因此，锂电池公司在制造过程中也在不断提高工厂电池的一致性。对于钒电池，电解液总是循环的，正极和负极电解液从各自的储罐中提取，最终以相同的状态进入电池组，自然具有良好的一致性。3） 如果使用寿命较长，则应直接得出结论。钒电池寿命长。它究竟是如何实现的？由于钒电池的电解液在充电和放电过程中不会像大多数其他电池一样发生相变，因此电池容量的损失最小，因此钒电池的寿命通常超过十年。在此期间，当电池长时间使用，性能下降时，可以通过修复电解质活性来恢复一定水平的性能。如果钒电池系统的寿命到期，电解液将不会被浪费。它可以应用于新的电池系统，也可以用作钒资源进行纯化和加工，最终实现电解液的回收。

图：钒电池电解液综合利用示意图；

来源：融科储能官网02已有“氢、锂、钠”。钒电池有什么用？在这一点上，每个人都熟悉钒电池的特点——高安全性、长循环寿命、易于膨胀和环保。在我们的日常生活中，钒电池几乎是看不见的。从根本上讲，钒电池也有明显的缺点——体积大、能量密度低、成本高。尤其是电解质和电池组的分离设计所造成的大占地面积确实是一个难以解决的问题。仅就这一点而言，它显然与我们的日常使用场景格格不入：手机、家用电器和其他设备要求电池尽可能小。即使是电动公交车的底盘也渴望安装一个额外的电池。为什么能量密度低？事实上，这是由“背景”决定的。钒电池的电解液储存在储罐中，占据了相当大的空间。同时，需要一个泵来维持电解质的流动，这也会导致大量的能量损失。目前，钒电池的能量转换效率为70-75%，明显低于锂电池。同时，钒离子的溶解度低，正极和负极的电解质不能达到所需的高浓度。最终，上述因素的结合导致钒电池的低能量密度有点离谱，仅为12-40Wh/kg。这个概念是什么？能量密度低于铅酸电池，铅酸电池因体积庞大而受到批评。如果与锂电池相比，钒电池的体积通常大于5倍，以便存储相同的电量。因此，我们也可以很容易地得出结论，智能手机和便携式家用电器等消费品根本不是钒电池的“盘子”。钒电池想要改变锂电池地位的想法显然是片面的，因为它们根本不在同一条轨道上。接下来，让我们来看看成本。钒电池初始安装成本高可以说是钒电池的最大弊端，也是制约行业发展的一大痛点。目前，钒电池的价格仍然是锂离子电池的两倍多，与成熟的铅酸电池相比没有价格优势。

图：中国部分钒电池项目的信息和成本计算；资料来源：北极星储能网络，光大证券。许多人可能再也无法忍受了。由于钒电池体积大、能量密度低的问题基本没有解决，因此大多数使用场景都被拒绝。为什么资本市场仍然需要将钒电池带到谈判桌上？这真的是一波炒作吗？中国有句名言：“足有其短，寸有其长”。与锂电池等轻便灵活的“移动硬盘”相比，钒电池更像是大容量的“硬盘”。钒电池具有规模化、安全性高、寿命长的技术优势，可以在规模化、大容量场景中发挥比较优势。最典型的应用场景是支持风能和光伏储能。在成本方面，我们的观点是，目前钒电池确实比锂电池贵得多。但从一项技术的前景来看，这也取决于其未来的成本降低空间，能否由技术进步和规模驱动。客观地说，在过去，锂电池也遇到过成本高的问题。如今，钠离子电池和氢燃料电池也面临着成本高的问题。图：随着规模化生产和技术进步，宁德时代动力电池成本迅速下降；

来源：宁德时代年报、国泰君安（601211）证券回顾历史，钒电池技术的研发和应用始于20世纪80年代。早在1988年，澳大利亚新南威尔士大学就开发出了1千瓦的钒电池系统。可以说，钒电池与锂电池和燃料电池是同一时代的技术。然而，后来，锂离子电池在1991年商业化后，由于其高能量密度和小尺寸而受到欢迎，并迅速崛起。然而，由于应用场景有限，钒电池一直相对不受欢迎。毕竟，我们过去一直需要的是更轻、更高能量密度的电池，而且需要大容量电池的场景并不多，所以钒电池的长板是无用的。然而，随着能源革命的进展和可再生能源电力的增加，我们对大容量存储的需求正在增加。钒电池重返赛道符合客观规律。与手机和电动汽车不同，储能站对能量密度和占地面积没有过高的要求。相比之下，储能站更重视电池寿命、安全性和运营成本。例如，抽水蓄能电站在储能中所占份额最大，其使用寿命通常为20年甚至更长。今年6月，国家能源局日前发布《防止电力生产事故25项重点要求》，提出中大型电化学储能电站不得使用三元锂电池或钠硫电池。事实上，近年来，钒电池在中国越来越受到关注。从事钒电池储能研究和产业发展的机构正在逐步增加，包括中国科学院大连化学物理研究所、大连荣科储能公司、北京通用能源、武汉南瑞等。其中，大连化学物理研究所和荣科储能公司在基础研发、产品设计、技术应用和产业化进程方面已经处于世界领先地位。也就是说，被扫进垃圾堆的钒电池不小心赶上了储能的快车。今年5月，辽宁大连一座超大型钒电池储能电站并网投产。该电站是“大连流体电池储能调峰电站国家示范工程”的一期工程。已投入运行的716个灰白色电解液储罐可储存400兆瓦时电力，即40万千瓦时电力，可为近2000户家庭供电一个月。目前，它是世界上最大的液流电池储能电站，被誉为“储能之王”。二期工程全面投产后，蓄电容量可翻一番，达到80万千瓦时。乐观地说，钒电池技术的大规模应用已经进入快车道。

图：钒电池的发展历史；

资料来源：大连融科、北京普能、沈万宏源。换句话说，电池的三个指标是能量密度、安全性和寿命，就像经济学中的“不可能三角”一样。世界上很难有一个绝对完美的电池。

所以我们千万不要“捡西瓜弃芝麻”，而是要根据每一种产品的特点，各取所长，物尽其用。从电池材料资源的角度来看，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，电池公司就不需要在单一材料上堆积，也不需要担心原材料价格上涨。据美国地质勘探局统计，截至2021年底，满足当前开采和生产要求的全球钒矿储量已超过2400万吨，其中中国钒矿储量约为950万吨，占39.6%，居世界第一。与钠离子一样，钒电池不必担心被原材料“卡住”。03能与锂电池、燃料电池和钠电池一起跳舞吗？目前，业界已经充分认识到钒电池的高容量存储能力和安全性。这可以归因于钒电池的固有优势。但在未来，如果我们想与锂电池共舞，我们仍然需要后天不懈努力。下一步，整个钒电池产业链需要加快发展，在电池关键材料研发、电池堆设计制造和系统集成技术方面进一步推进。

图：钒电池的上游成分；资料来源：“钒液流电池电解液研究综述”，国海证券1。电解质电解质不仅是钒电池的重要组成部分，也是钒电池的主要成本，约占钒电池总成本的40%。换句话说，能否降低电解液成本成为钒电池降低成本的关键。在钒资源方面，中国不仅储量居世界第一，产量也居世界首位，占比高达68%。资源可以完全自给自足。这是我国钒电池发展的独特优势。目前，中国主要钒资源企业包括攀钢钒钛（000629）、鹤钢成钢、安宁有限公司和西部矿业（601168）。其中，攀钢钒钛也是世界上产能最大的企业。随着钒电池需求的增加，攀钢钒钛、鹤岗有限公司（000709）等钒资源企业正在积极投资电解质生产。将钒资源优势与电池企业的研发能力相结合，可以形成产业协同效应，加快电解液的产业规模发展。

图：国内主要钒资源企业；

来源：光大证券其次，如前所述，钒电池电解液是可以回收的。如果能够促进制造、使用和回收的闭环产业，并进一步提高电解液的残值，钒电池整个生命周期的成本将显著降低。同时，创新电解液租赁等商业模式也可以降低钒电池的初始投资成本。如果这一模式能够实施，反过来又可以推动钒电池的大规模发展。最后，提高钒电池的能量密度也意味着降低电池成本。由于钒离子在电解液中的溶解度较低，极大地限制了电池的能量密度。此外，如果温度过高，钒离子的溶解度也会受到影响。钒电池公司一直在不断研究并致力于提高电解质中钒离子的浓度，同时提高高温下的稳定性。目前，电解液正在从传统的硫酸基质升级迭代为盐酸基质等新配方，钒离子浓度和工作温度范围均有显著提高。可以预见，随着技术进步和装机容量的增长，以及电解液商业模式的改善，钒电池的成本有望更快地进入“平价区间”。

图：钒电池的成本构成；资料来源：IRENA，由博科研究所组织。2.离子交换膜堆叠是仅次于电解质的第二昂贵组件，约占总成本的35%。其中，离子交换膜是电池堆内部的核心部件，不仅直接影响电池性能，也是决定电池堆成本能否快速降低的关键材料。然而，目前离子交换膜的定位率仍然相对较低。长期以来，国内钒电池公司主要使用美国杜邦公司生产的全氟化碳膜。然而，尽管Nafion膜具有优异的性能，是堆叠的首选材料，但其价格过于昂贵。夸张地说，Nafion膜已经限制了钒电池的发展。因此，实现杜邦Nafion膜的“扁平化替代”并完成国产化是降低钒电池成本和促进大规模应用的有效策略。目前，国内主要的全氟化碳膜生产企业包括东岳集团和江苏科润，它们在国产替代方面取得了一定的成效。同时，大连化学物理研究所在非氟化多孔离子传导膜的研究方面取得突破，可以有效降低批量生产后的堆成本。化学世界充满了无限的可能性，各种电池技术进入了百家争鸣的时代。从能源革命的角度来看，不同的电池技术没有“颠覆”或“动摇”，只有“互补”或“共生”。我希望锂电池、燃料电池、钠电池和钒电池一起跳舞的场景很快就会到来。本文首发于微信公众号：博科。文章内容属于作者个人观点，不代表和讯网络的立场。投资者应据此操作，并承担风险。

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