新能源发展的一条主线是技术进步正因为如此，我们的研究报告基本涵盖了从三元电池，磷酸铁锂电池，4680电池，氢燃料电池，钠离子电池的整个领域锂氢钠电池的玩家比较明确:不同类型的电池相辅相成，共同推动新能源革命的浪潮
可是最近突然出现了一个新玩家——钒电池，让很多投资者措手不及。
第一，大家之前都没听过钒电池的消息，更不确定a股有没有纯标的，其次，凭空出现的钒电池和氢，锂，钠不是一个家族元素真的是新能源越来越多，化学元素周期表都成了乱走难怪大家调侃:投资新能源还是要问问门捷列夫的想法
一直以来，在新能源这个大赛道上，大家的投资视角一直聚焦在氢，锂，钠上:氢燃料电池什么时候能量产，特斯拉4680电池来了，麒麟电池明年涨，当代安培科技有限公司发布钠离子电池对于这种奇怪的钒电池，姑且称之为黑科技就等这波热浪过去吧
事实上，自20世纪60年代末开始的第二次工业革命将人类带入电动时代以来，电已经成为人类社会不可或缺的东西，电池技术的发展已经深深融入历史进程如今，在能源革命的时代，电池技术的R&D和创新已经成为能源转型的赢家和输家
作为新能源系列，本文也是钒电池的开始我们将携手氢，锂，钠，了解钒电池的过去，现在和未来
01
钒电池的由来是什么。
1.工作原理
钒电池，全称为全钒氧化还原液流电池乍一看，这一长串名字似乎有点蠢别急，我们一个一个拆解
第一，所谓全钒，字面意思是因为电池的正负极都是钒以此类推，磷酸铁锂电池的正极是磷酸亚铁锂，负极是石墨，铅酸电池的正极是二氧化铅，负极是铅
第二，大家都很了解的氧化还原，是电池的基本原理氧化反应过程中电子有得有失，电子的运动形成电流
第三，之所以叫液流电池，是因为正负极都是液体可以想象，正负极与电解液结合，电池能量直接储存在液体电解液中当然，有合就有分钒电池的电解液与电池堆分离
为了方便理解，我们先来回顾一下锂电池锂电池的正负极充满电解液，由隔膜隔开，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最大的区别
然后看钒电池的工作过程大家熟悉的摇椅锂电池的工作原理是锂离子在摇椅两端来回奔跑，即完成充放电的过程而钒电池并不存在正负极，所以不需要跑偏它只需要跑到自己家门前——正负极的电解液按照既定路线流向电堆，完成充放电的过程
2.钒电池的结构特点
因为钒电池的电解液和电堆是相互独立的，所以电解液是分开存放在外部的储罐中此外，由于电解液不能单独流向电堆，需要通过外部的泵和管道在内部输送
所以肉眼可见，钒电池是一个大的比如锂电池是手机，那么钒电池就是座机
普通钒电池主要由两个装有电解液的储罐，电堆，循环泵和管道组成如果把储槽比作汽车的油箱，那么电堆就是发动机，储槽中的电解液由循环泵源源不断地输送到电堆，电堆负责充放电
钒电池的另一大特点是设计灵活，可以根据需要进行组合和定制你不在乎大，中，特大杯
广义来说，钒电池的功率单元和容量单元是相互独立的解耦设计储槽中的电解液决定了电池的容量，电堆的大小和数量决定了电池的输出功率也就是说，要增加电池容量，就要相应增加电解液罐的数量，要提高输出功率，只能通过增加堆数来实现不像火车的设计吗如果想拉更多的乘客，增加车厢数量，想加大马力，就换成大功率机车
以柯荣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，两个外置储罐，电池管理系统和管道组成需要500kW钒电池系统怎么办两个动力容器串联后，增加两个外接储罐，接入一个500kW的变流器，即可实现
以此类推，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，存储容量可达数十万千瓦时看到这里，你觉得钒电池不是没用吗
3.钒电池的运行优势
1)安全性好
钒电池中使用的阳极和阴极电解质是极不易燃的无机水溶液有多安全即使正负电解质不小心混在一起也不用担心大家都是钒离子一族(正极电解液是五价钒和四价钒，负极电解液是三价钒和二价钒)，不可能打架
那么有人要问了，运行中电池温度过高怎么办的确，和锂电池，钠离子电池一样，钒电池在充放电过程中也会产生热量而钒电池在充放电过程中，电解液循环流动，电堆中产生的热量很容易被传输管道上的换热器散发掉
正因为如此，钒电池热管理系统成本低，设计和维护方便热管理一般采用直接冷却或风冷，类似于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，冷却系统启动，从而使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
对于单个电池，比如手机或者两轮电动车的内置电池，电池均匀性不用考虑太多，但是如果是大量电池串联组成的电池组系统，电池均匀性就可以成为一个重要的指标。
一般方形电池组的电动车电池都在一百块以上，而特斯拉用的圆柱形电池有几千块伴随着电池充放电的运行，单个电池的内阻，荷电状态和温度都会发生不同程度的变化，导致差异不断增大，增加了电池系统安全可靠运行的风险因此，锂电池企业在制造过程中不断提高电池出厂时的一致性
对于钒电池来说，电解液是一直循环的，正，负极电解液都是从各自的储槽和容器中抽出来的，最后进入电堆时自然具有相同的状态，所以是内在一致的。
3)使用寿命长
先下结论，钒电池寿命长是如何实现的由于钒电池的电解液在充放电过程中不像其他大多数电池那样发生相变，电池容量损失很小，所以钒电池的使用寿命往往可以超过十年
电池长期使用，性能下降后，可以通过修复电解液的活性来恢复一定的性能最后，如果钒电池体系寿命到期，电解液也不会浪费，可以应用到新的电池体系中，或者作为钒资源进行提纯加工，最后电解液可以循环使用
02
已经有氢，锂，钠了钒电池有什么用
到目前为止，大家都很熟悉钒电池的特点——安全性高，循环寿命长，易扩展，环保但是在我们的日常生活中，几乎看不到钒电池
基本上钒电池的短板也很明显——体积大，能量密度低，成本高。
尤其是电解液和电堆分离设计造成的占地面积大，真的是硬伤单就这一点，显然与我们的日常使用场景格格不入:手机，家用电器等要求电池越小越好即使是电动公交车的底盘也渴望安装额外的电池
为什么能量密度低其实这是由出身决定的钒电池的电解液储存在罐子里，很占空间同时，需要一个泵来保持电解液的流动，这也造成了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较低，正负极电解液无法达到理想的高浓度
最终以上因素叠加导致钒电池能量密度较低，仅为12—40Wh/kg这是什么概念能量密度低于被批评为体积庞大的铅酸电池
如果和锂电池相比，钒电池需要储存同样的电量，体积一般要大5倍以上所以我们很容易得出结论，智能手机，便携式家电等消费类产品根本不是钒电池的菜那些想蹭一波热点，认为钒电池会动摇锂电池地位的人，显然是片面的毕竟他们根本不在一条跑道上
然后看成本钒电池初始安装成本高可以说是钒电池最大的劣势，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以上，与成熟的铅酸电池相比，没有价格优势
到了这一步，肯定有很多人看不下去了由于钒电池体积大，能量密度低的问题基本无法解决，大部分使用场景都被拒之门外资本市场为什么要把钒电池搬上台面真的是一波炒作吗
中国有句名言:尺有所短，寸有所长相比锂电池那样便携灵活的硬盘，钒电池更像是一个大容量的硬盘钒电池具有大规模，高安全性，长寿命的技术优势，在大规模，大容量场景下能够发挥比较优势最典型的应用场景是风电和光伏的储能
成本方面，我们的观点是现阶段钒电池确实比锂电池贵很多但看一项技术的前景，也要看它未来的降成本空间，看它是否能被技术提升和规模化所驱动客观来说，过去锂电池也遇到过成本高的问题现在，钠离子电池和氢燃料电池也面临着成本高的问题
从历史上看，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了1kW钒电池系统可以说钒电池和锂电池，燃料电池是同一个时代的技术但1991年锂电池商业化后，以能量密度高，体积小的特点率先拔得头筹，之后一路走高但由于应用场景有限，钒电池一直以来都比较冷门
毕竟在过去，我们一直需要的是更轻，能量密度更高的电池根本没有多少场景需要大容量电池，所以钒电池的长板就没用了可是，伴随着能源革命的发展和可再生能源电力的增加，我们对大容量存储的需求越来越高钒电池回归轨道是符合客观规律的
与手机和电动车不同，储能电站不需要太多的能量密度和占地面积相比较而言，储能电站更注重电池寿命，安全性和运营成本比如蓄能份额最大的抽水蓄能电站，寿命一般在20年甚至50年以上今年6月，国家能源局最近几天发布《防范电力生产事故二十五条重点要求》，指出大中型电化学储能电站不得使用三元锂电池和钠硫电池
事实上，最近几年来，钒电池在国内越来越受到重视从事钒电池储能技术研究和产业开发的机构逐渐增多，包括中国科学院大连化学物理研究所，大连柯荣储能公司，北京浦能，武汉南瑞等其中，大连化工材料研究所和柯荣储能公司在基础研发，产品设计，技术应用和产业化方面一直走在世界前列
换句话说，被扫进垃圾堆的钒电池，不小心搭上了储能快车。
今年5月，在辽宁大连，一座超大型钒电池储能电站投产该电站是大连液流电池储能调峰电站国家示范工程的一期工程已投入使用的716个灰色电解槽可储存400 MWh的电力，即40万度电，可供近2000户家庭使用一个月目前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投产后，储电量将翻倍至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
另一方面，电池的三个指标:能量密度，安全性和寿命，就像经济学中的不可能三位一体世界上很难有绝对完美的电池所以千万不能捡了西瓜扔了芝麻，要根据每个产品的特点，做到物尽其用
从电池材料资源来看，有了锂电池，还需要想办法利用好氢燃料电池，钠离子电池，钒电池这样电池企业就不需要堆在一种材料上，担心原材料涨价据USGS统计，截至2021年底，全球满足当前开采和生产需求的钒矿储量已超过2400万吨，其中，中国钒矿储量约为950万吨，占比39.6%，居世界第一和钠离子一样，钒电池也不用担心被原料卡住
03
锂电池，燃料电池，钠电池能并肩跳舞吗。
现阶段，业界已经充分认识到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想要和锂电池共舞，还需要后天不懈的努力
接下来，全钒电池产业链应加快发展，在关键电池材料研发，电堆设计制造，系统集成技术等方面取得进一步进展。
1.电解质
电解液是钒电池的重要组成部分，也是主要成本，约占钒电池总成本的40%换句话说，能否降低电解液的成本是降低钒电池成本的关键
至于钒资源，中国不仅储量第一，产量也是世界第一，占68%，资源完全可以自给自足这是我国发展钒电池的独特优势目前，国内钒资源企业主要有攀枝花钒钛公司，鹤岗程刚公司，安宁股份公司，西部矿业公司等其中，攀钢钒钛也是全球最大的企业
伴随着钒电池需求的不断增加，攀枝花钒钛股份有限公司，河钢股份有限公司等钒资源企业都在积极投资电解液生产将钒资源优势与电池企业的R&D能力相结合，将形成产业协同效应，加速电解液的产业规模化发展
其次，如上所述，钒电池的电解液可以循环使用如果能推进制造—使用—回收的工业闭环，进一步提高电解液残值，钒电池全生命周期成本将大大降低同时，还可以通过电解液租赁等商业模式的创新，降低钒电池的初期投资成本如果这种模式能够实现，反过来可以促进钒电池的大规模发展
最后，提高钒电池的能量密度意味着降低电池成本钒离子在电解液中的溶解度不高，大大制约了电池的能量密度，温度过高会影响钒离子的溶解度一直以来，钒电池企业都在不断研究，致力于提高电解液中钒离子的浓度，同时提高高温下的稳定性目前电解液正从传统的硫酸基体升级为盐酸基体等新配方，其钒离子浓度和工作温度范围都有了显著提高
可以预见，伴随着技术进步，装机量增加，电解液商业模式改善，钒电池成本有望更快进入平价区间。
2.离子交换膜
电堆是成本比仅次于电解质的组件，约占总成本的35%其中，离子交换膜是电堆中的核心部件，不仅直接影响电池的性能，也是决定电堆成本能否快速降低的关键材料
但是，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美国杜邦公司生产的全氟化碳膜
可是，Nafion膜虽然性能优异，是电堆的首选材料，但价格过于昂贵说Nafion膜制约了钒电池的发展是言过其实的因此，实现杜邦Nafion膜的平板替代并完成国产化是降低钒电池成本，促进规模化应用的有效策略
目前国内全氟化碳膜生产企业主要有东岳集团和江苏科润，在国内替代方面有所建树同时，大连化工学院的无氟多孔离子传导膜研究取得突破，量产后可有效降低电堆成本
化学的世界充满了无限可能，多种多样的电池技术已经到了百家争鸣的时代从能源革命的角度来看，不同电池技术之间没有所谓的颠覆或搅动，只有互补和共生希望锂电池，燃料电池，钠电池，钒电池共舞的场景早日到来
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