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    2. 還沒搞懂鋰、氫、鈉,釩又來了
      發布時間:2022-08-23 來源:中國無機鹽工業協會     分享到:

            新能源發展的一大主線就是技術進步。正因為如此,我們的研究報告,迄今從三元電池、磷酸鐵鋰電池、4680電池,到氫燃料電池,再到鈉離子電池,基本做到了全域覆蓋。鋰、氫、鈉三大類電池玩家已經相對清晰:不同類型的電池互為補充,共同推動著新能源革命大潮。

        不過最近突然冒出了新玩家——釩電池,令不少投資者措手不及。

        一是大家此前都沒怎么聽到過釩電池的消息,更不確定A股有沒有純正標的;二來,“憑空出現”的釩電池,跟“氫、鋰、鈉”都不是同族元素。新能源真是越來越卷,炒化學元素周期表都變成了隨機游走。難怪大家調侃:“投資新能源還需要問問門捷列夫是怎么想的?!?/span>

        一直以來,在新能源這條大賽道上,大家的投資視角始終圍繞著“氫、鋰、鈉”:氫燃料電池什么時候規?;慨a;特斯拉4680電池要來了、麒麟電池明年要上量;寧德時代發布鈉離子電池。對于這陌生的釩電池,姑且算他是“黑科技”吧,等這波熱度過去就好了。

        其實不然,自19世紀60年代后期開始的第二次工業革命將人類帶進電氣時代以來,電力在人類社會變得不可或缺,而電池技術的發展也深度融入到歷史進程當中。如今進入到能源革命時代,電池技術的研發和創新更是成為能源轉型的勝負手。

        本文作為的新能源系列篇,也是釩電池的開篇,將攜手“氫、鋰、鈉”,認識釩電池的前世、今生和未來。

        01

        釩電池是什么來路?

        1.工作原理

        釩電池,全稱為全釩氧化還原液流電池。乍一看這長串的名字,是不是有點懵。別著急,我們按順序一個個拆解。

        第一,所謂全釩,按照字面意思理解,是因為電池的正負極都是釩。作為類比,磷酸鐵鋰電池正極是磷酸鐵鋰,負極是石墨;鉛酸電池的正極是二氧化鉛,負極為鉛。

        第二,氧化還原,這點大家好理解,即電池的基本原理。氧化還原反應的過程有電子得失,電子的移動就形成了電流。

        第三,之所以叫液流電池,是因為正、負極均為液體??梢韵胂蟪烧摌O和電解液“合體”了,電池能量直接存儲在液態的電解質中。當然,有“合”就有“分”,釩電池的電解液和電堆是分開的。

        為了方便理解,我們回顧下鋰電池。鋰電池的正負極之間是充滿電解液,通過隔膜分開,電池能量主要儲存在固體的電極材料中。這也是釩電池和鋰電池最大的區別。

        接著再看釩電池的工作過程。我們所熟悉的“搖椅式”鋰電池的工作原理是鋰離子在搖椅的兩端(正極和負極)來回奔跑,即完成了充放電的過程。而釩電池并不“存在”正負極,不需要跑遠了,只用在自家門前跑——正負極電解液各自按照既定路線流向電堆即完成充放電的過程。

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      2.釩電池結構特點

        因為釩電池的電解液和電堆是相互獨立的,電解液單獨存放在外部的儲罐中,另外由于電解液是無法單獨流向電堆的,需要通過外部的泵和管路輸送內部。

        所以肉眼可見,釩電池就是個大塊頭。舉個不是特別恰當的例子,如果鋰電池是手機,那么釩電池就是座機。

        常見的釩電池主要由兩個裝電解液的儲罐、電堆、循環泵和管路組成。如果把儲罐比作汽車的油箱,電堆就是發動機,儲罐中的電解液通過循環泵不斷輸送到電堆內,電堆則負責充放電。

        釩電池的另一大特點是設計靈活,可以按需組合、定制。你不同糾結大杯、中杯,還是超大杯。

        展開來講,釩電池的功率單元和容量單元是相互獨立的“解耦設計”,儲罐中的電解質決定電池容量,電堆的大小和數量決定電池的輸出功率。也就是說,要增加電池容量,就相應增加電解液儲罐數量;要提高輸出功率,只要增加電堆的數量就可實現。是不是很像火車的設計?你想多拉乘客,就增加車廂數量;你想加大馬力,那就換上大功率的火車頭。

        以融科儲能的釩電池儲能系統為例,功率250kW的釩電池系統由功率集裝箱(20尺)、2個外置儲罐、電池管理系統及管路等輔件構成。如果需要500kW的釩電池系統怎么辦呢?將2個功率集裝箱串聯后,增加2個外置儲罐,接入一臺500kW變流器,即可實現。

        以此類推,釩電池可以組合成更大規模電池組,其輸出功率可達數百兆瓦,可以存放數十萬度電??吹竭@里,是不是覺得釩電池也并不是“一無是處”。

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      3.釩電池的運行優勢

        1)安全性好

        釩電池使用的正、負極電解液均為極不易燃的無機水溶液(后面章節會重點介紹),有多安全呢?即使正、負極電解液意外發生混合也不用擔心。大家都是釩離子家族(正極電解液為5價釩和4價釩,負極電解液為3價釩和2價釩),不可能“大打出手”的。

        那有人要問了,電池運行過程中溫度過高怎么辦?確實,和鋰電池、鈉離子電池等一樣,釩電池在充放電過程中也會在產生熱量。不過釩電池在充放電過程中,電解液是循環流動的,電堆內部產生的熱量很容易就可以通過輸送管路上的熱交換器散熱。

        正因如此,釩電池的熱管理系統成本也低,設計和維護方便。一般采取直冷或空冷的方式進行熱管理,類似汽車發動機艙內的冷卻系統。當電解液溫度上升到一定程度時,冷卻系統即啟動,從而保持電池系統運行在最高效的溫度區間。

        2)電池一致性好

        對于單個電池,比如手機內置電池或兩輪電動車,不用過多考慮電池均一性,但如果是大量電池串聯組成的電池包系統,電池一致性可就成為重要指標。

        一般情況,一輛使用方形電池包的電動車上有一百多個電芯,而特斯拉用的圓柱電池更是有上千個電芯。隨著電池充放電的運行,單個電池的內阻、荷電狀態、溫度等均會發生不同程度的變化,導致差異性逐漸變大,使得電池系統安全、可靠運行風險增大。所以鋰電池企業也在制造過程不斷提高電池在出廠時的一致性。

        對于釩電池,電解質溶液始終是循環流動的,正負極電解液從各自的儲罐容器中抽出,最后進入到電堆時自然具有相同的狀態,天生就具備不錯的一致性。

        3)使用壽命長

        先直接拋出結論,釩電池很長壽。具體是怎么實現的呢?因為釩電池的電解液在充放電時不像其它多數電池一樣發生物相變化(注:不會生成新的物質,始終都是釩離子,只不過是不同價態),電池容量的損耗就很少,所以釩電池的壽命往往能超過十年。

        期間當電池使用較長時間,其性能下降之后,可以通過修復電解液活性來恢復一定的性能。如果最后釩電池系統壽命到期,電解液還是不會浪費,既可以應用到新的電池系統中,也可以作為釩資源進行提純加工,最終實現電解液的循環利用。

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      02

        已有“氫、鋰、鈉”,釩電池作何之用?

        行文至此,大家已經熟悉釩電池的特點——安全性高、循環壽命長、容易擴容、對環境友好??稍谖覀內粘I町斨?,卻幾乎見不到釩電池的身影。

        究其根本,釩電池短板同樣也明顯——體積大、能量密度低,還有成本高。

        尤其是電解液和電堆分離設計導致的占地面積大確實是硬傷。光論這一點,顯然跟我們的日常使用場景格格不入:手機、家用電器等對電池的要求是體積越小越好,就連電動大巴車的底盤里也巴不得能多裝進一塊電池。

        為什么能量密度低呢?其實這是由“出身”決定的。釩電池的電解液是儲存在罐子中,占地空間已經不小了,同時還需要用泵來維持電解液的流動,這也造成不少的能量損耗,目前釩電池的能量轉化效率為70-75%,大幅低于鋰電池(90%)。同時,釩離子的溶解度較低,正負極的電解液無法達到理想中的高濃度。

        最終,以上因素疊加導致釩電池的能量密度低的有點上不了臺面,僅為12-40Wh/kg。這是什么概念?比因為笨重而飽受詬病的鉛酸電池的能量密度還低。

        如果和鋰電池相比,要存一樣的電,釩電池的體積一般要大5倍以上。所以,我們也很容可以得出結論:智能手機、便攜家用電器等消費品根本不是釩電池的“菜”。那些想蹭一波熱點,認為釩電池要撼動鋰電池地位的想法顯然是片面的,畢竟他們壓根就不在同一條跑道上。

        接著再來看看成本。釩電池初裝成本較高可以說是釩電池最大的缺點,也是制約行業發展的一大痛點。目前釩電池價格仍然是鋰離子電池的2倍以上,跟成熟的鉛酸電池相比更是沒有價格優勢。

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            到這里,想必有不少人看不下去了,既然釩電池體積大、能量密度低的問題基本無解,大部分使用場景被拒之門外。為什么資本市場還要把釩電池拿到臺面上講,難道真的是爆炒一波?

        中國有句名言:尺有所短,寸有所長。相比鋰電池這樣輕便靈活的“移動硬盤”,釩電池更像是大容量“硬盤”。釩電池有著大規模、高安全、長壽命的技術優勢,能夠在大規模、大容量的場景發揮比較優勢,最典型的應用場景就是配套風電、光伏的儲能。

        對于成本方面,我們的看法是,現階段釩電池確實是比鋰電池貴不少。但看一個技術的前景,也要看它未來的成本下降空間,能否靠技術改進和規?;瘉眚寗???陀^的講,過去鋰電池也同樣遇到成本高的問題。還有現在鈉離子電池和氫燃料電池也一樣面臨成本高的問題。

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            回顧歷史,釩電池技術的研究、開發與應用起始于上世紀80年代,早在1988年,澳大利亞新南威爾士大學就開發出1kW的釩電池系統??梢哉f,釩電池是和鋰電池、燃料電池等同一時代的技術。不過后來鋰電池在1991年商業化后憑借能量密度高、體積小的特點率先出圈,之后一路扶搖而上。而釩電池由于應用場景受限,一直都比較冷門。

        說到底,過去我們一直需要的是更輕便,能量密度更高的電池,壓根沒有多少場景需要大容量電池,所以釩電池的長板毫無用武之地。但是隨著能源革命的進行,可再生能源電力的增多,我們對大容量存儲的需求越來越高,釩電池重新回到賽道,是符合客觀規律的。

        和手機、電動車不同,儲能電站對能量密度和占地面積沒有過多的要求。相較而言,儲能電站更看重電池壽命、安全性和使用成本。比如占據儲能最大份額的抽水蓄能電站,其壽命一般都長達20年甚至50年以上。在今年6月國家能源局近日發布的《防止電力生產事故的二十五項重點要求(征求意見稿)》中提出,中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池。

        事實上,最近幾年,釩電池在國內受到越來越廣泛的重視。從事釩電池儲能技術研究和產業發展的機構逐漸增多,包括:中科院大連化物所、大連融科儲能公司、北京普能、武漢南瑞等。其中,大連化物所和融科儲能公司在基礎研發、產品設計、技術應用及產業化進程方面已經走在了世界前列。

        也就是說,被掃進垃圾堆的釩電池意外搭上了儲能的快車。

        今年5月,在遼寧大連,一座超大型的釩電池儲能電站迎來了并網投運。該電站為“大連液流電池儲能調峰電站國家示范項目”的一期項目,已經投入的716個灰白色電解液儲罐可儲存400兆瓦時電量,即40萬度電,可以供應近2000個家庭使用一個月。目前是全球最大的液流電池儲電站,被稱為“儲能之王”,到二期項目全部投運后,儲電能力還能翻一倍,到80萬度電。樂觀點說,釩電池技術的規?;瘧靡呀涍M入快車道。

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       話說回來,電池的三個指標:能量密度、安全、壽命,就如經濟學里的“不可能三角”,世界上很難有絕對完美的電池。所以我們萬萬不能“撿了西瓜丟芝麻”,而要根據各個產品的特性,用其所長,做到物盡其用。

        從電池材料資源角度講,有了鋰電池,我們還需要想辦法用好氫燃料電池、鈉離子電池和釩電池。這樣電池企業也不需要扎堆在一種材料上面,為原材料漲價而苦惱。據USGS統計,截至2021年底,全球已認定符合當前采掘和生產要求的釩礦儲量超過2400萬噸,其中,中國釩礦儲量約為950萬,占比39.6%,位居世界第一。跟鈉離子一樣,釩電池也不用擔心被原材料“卡脖子”。

        03

        能否和鋰電池、燃料電池、鈉電池并肩起舞?

        現階段,業內已經充分認可釩電池的大容量存儲能力和安全性。這可以歸功于釩電池的先天優勢。但未來要想和鋰電池們一起共舞,還需要后天不懈努力。(其實同樣具有先天優勢的燃料電池和鈉離子電池也是相似的成長邏輯)

        接下來,整個釩電池產業鏈還要加快速度發展,在電池關鍵材料研究與開發、電堆設計與制造、系統集成技術等方面更進一步。

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      1.電解液

        電解液不僅是釩電池的重要部分也是成本的大頭,占釩電池總成本比例約40%。換言之,電解液成本能否降下來成為釩電池降本的關鍵。

        對于釩資源,我國不僅儲量第一,產量也是全球第一,占比高達68%,資源可完全自給。這是國內發展釩電池得天獨厚的優勢。當前國內的釩資源企業主要有攀鋼釩鈦、河鋼承鋼、安寧股份、西部礦業等。其中攀鋼釩鈦也是全球產能規模最大的企業。

        隨著釩電池需求量的提升,攀鋼釩鈦、河鋼股份等釩資源企業正積極投向電解液生產環節,將釩資源優勢和電池企業的研發能力結合,形成產業協同效應,可以加快電解液的產業規?;l展。

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       其次,前文已經提到釩電池電解液是可以循環利用,如果能夠促成制造-使用-回收的產業閉環,進一步提高電解液的殘值,那么釩電池全生命周期內的成本將大幅降低。同時,通過開展電解液租賃等商業模式創新,也可降低釩電池的初始投資成本,如果該模式能夠走通反過來又可以促進釩電池的規?;l展。

        最后,提高釩電池的能量密度也就意味著降低了電池成本。由于釩離子在電解液中的溶解度本身就不高,極大制約了電池的能量密度,而且溫度過高,釩離子的溶解度也會受到影響。一直以來,釩電池企業不斷研究,致力于提高電解液中釩離子的濃度,并同步改善高溫下穩定性。目前電解液正從傳統硫酸基質向鹽酸基質等新配方升級迭代,其釩離子濃度和工作溫區都有顯著改善。

        可以預見的是,隨著技術進步和裝機量的增長,以及電解液商業模式的完善,釩電池的成本有望更快進入“平價區間”。

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      2.離子交換膜

        電堆是成本占比僅次于電解液的部件,占總成本比例約35%。其中,離子交換膜是電堆內部的核心部件,不僅直接影響到電池性能,也是決定電堆成本能否快速下降的關鍵材料。

      不過目前離子交換膜的國產化率還比較低,一直以來,國內釩電池企業主要使用的是美國杜邦生產的全氟烴膜(Nafion)。(關鍵性的熔融擠出壓延成型技術長期為國外企業壟斷)

        然而,雖然Nafion膜具備優異的性能,是電堆的首選材料,但是價格過于昂貴??鋸堻c說,Nafion膜已經制約著釩電池的發展。因此,實現杜邦Nafion膜的“平替”,完成國產化是降低釩電池成本、推動規?;瘧玫挠行Р呗?。

        當前國內的全氟烴膜生產企業主要有東岳集團和江蘇科潤,已經在國產替代方面已經取得一定成果。與此同時,大連化物所的非氟多孔離子傳導膜的研究上也取得突破性進展,量產之后可以有效降低電堆成本。(限于篇幅,其他材料和系統等不做展開)

        化學的世界充滿無限可能,多種電池技術已經到了百家爭鳴的時代。站在能源革命的視角,不同電池技術沒有“顛覆”、“撼動”一說,有的只是“互補”、“共生”。希望鋰電池、燃料電池、鈉電池、釩電池“共舞”的場景早日到來。

      本文來自格隆匯專欄:錦緞,作者:知勇

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