钒电池行业研究.docx

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1、钢电池：国内起步较早，政策东风支持钢电池介绍液流电池是一种新型的大规模高效电化学储能技术，国际上液流电池的种类主要有全钢液流电池、 锌漠电池、铁铝电池、多硫化钠漠电 池4种技术路线，其中全钢液流电池目前成熟度最高，商业 化进程最快，国内外参与其研究开发的机构与企业较多。全钢氧化还原液流电池又称钢电池(VanadiumRedoxBattery , VRB ),原理主要是通过钢离子价态变换实现电的储能和释放。具 体来看，钢电池由两个电解液储液罐和中间的电堆构成，工作时，正负两极的电解液罐分别含有 V4+、V5+和V2 +、V3 +的水溶液，通过外接泵将电解液压入电池堆，使其在不同的储液罐和半 电池

2、的闭合回路中循环流动，采用离子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面 并发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电。行业报告朗元院机电池发展历程全钢液流电池技术最早由澳大利亚新南威尔士大学SkyllaS-KaZaCOS在1985年提出。随着清洁 能源发展对技术成熟度高、大规模、高安全、长时储能技术需求的急剧增加，日本、美国等签约 了大量全钢液流电池示范项目，加速推进了全机液流储能示范项目的应用和推广。我国在20世 纪80年代末开始研究全钢液流电池技术，1995年研制出500W、IkW的样机，拥有电解质 溶液制备、导电塑料成型等专利。此后中国科学院大连化学物理研究所、大连融科储能技术发展

3、 有限公司、清华大学、中科院沈阳金属所、中南大学等机构开始从事全钢液流电池的研发工作，攻 克多项关键核心技术。政策东风加速钢电池发展钢电池作为新型储能的一种，已经进入商业化初期。2022年3月21日，十四五新型储能发展实施 方案发布，提出到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段；到2030年，新型 储能全面市场化发展。其中液流电池被重点提及，实施方案将百兆瓦级液流电池技术纳入十 四五新型储能核心技术装备攻关重点方向之一。2022年7月1日，国家能源局发布的防止电 力生产事 故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）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，不

4、宜选用梯次利用动力电池。钢电池已成为新型储能电站的 重要力量。机电池项目情况2016年国家能源局批复了第一个百兆瓦级全钢液流电池储能调峰电站，2022年5月大连液流电 池国家IOoMW/400MW示范项目接入大连电网，2022年11月中核汇能IGWh全钢液流电池储 能系统招标完成，这是机电池首个GWh级别项目。优缺点：安全有保证，长时储能下成本占优机电池的优点钢电池具有安全性高、循环寿命极长、环境友好、响应速度快、容量规模易调节等优点。安全性是储能技术需要首先考虑的因素。据不完全统计，过去几年全球储能领域共发生70起储能 安全事故，2022年I-Io月，全球就已经发生了 17起以上的储能着火事

5、故，其中三元电池、磷 酸铁锂电池均有涉及。钢电池本征安全，理论上不存在着火爆炸危险。钢电池的电解液为钢离子的稀硫酸水溶液，电池中 的化学反应在溶液中进行，固体 电极只是负责电流的传导，受到各种副反应的影响较少，理论上 只要控制好充放电截止电压，保持电池系统存放空间通风良好，即 可保证安全，不存在着火爆炸 的危险。此外，隔膜即使出现破损，电解液混合后也不会导致电堆完全损坏。使用寿命长，几乎无衰减。影响电池使用寿命的一个重要因素是电池的深度充放电，当电池中的活 性物质被反应完全时，继续充电或放电便很容易产生副产物，从而使电池容量减小。由于全钢液 流电池是通过电解液中钢离子价态的变化实现电能的存储和

6、释放，没有电极固体中复杂的副反应， 即使常年运行由于微量的副反应和正、负极电解液微量互串的累计造成容量衰减，也可以通过在线 或离线再生反复循环利用，因此钢电池项目通常可以运营15-20年。全生命周期环境友好，易回收利用。机电池的电堆和系统主要是由碳材料、塑料和金属材料组装而 成，当全钢液流电池系统废弃时，金属材料可以循环利用，碳材料、塑料可以作为燃料加以利用； 电解液方面，由于全机液流电池的充放电主要是钿离子的价态变化，因此其充放电几乎不产生杂 质，也不产生环境污染物，回收处理的难度低，环境非常友好。响应速度快、充电便捷。钢电池组充满电解液瞬间启动。运行过程中，充放电状态切换仅需0.02 秒，

7、响应速度为1室秒。另外可以通过直接更换电解液实现钢电池的瞬间充电。机电池的缺点钢电池主要缺点体现为能量密度低，全机液流电池能量密度一般为1550Whkg ,同铅酸电池相 当，低于锂离子电池，因此实际占地较大，以100兆瓦/400兆瓦时的钢电池的大型储能项目来说， 用同样的场地，如果换做锂电池大概可以达到800-1000兆瓦时。工作环境相对局限，钢电池通常需要在0-45。C的环境下工作，温度过低会导 致电解液凝固，而温 度过高则会导致溶液中的V5+形成V2O5析出，从而堵塞电解液通道，导致电池报废。成本是制约全钢液流电池发展的核心问题。目前机电池的系统投资成本约为3000-4000元/kWh ,

8、 锂离子电池约为1500-2000元/kWh ,结合中核汇能招 标价，全机液流电池储能系统平均单价约 3.1元/Wh ,中标价为2.65元/Wh ,磷酸铁锂储能的平均单价是1.44元/Wh ,钢电池的投资成 本约是磷酸铁锂的2倍左右。机电池适用于长时储能领域可再生能源占比提升需长时储能配套发展。长时储能通常是指大于4小时，可以实现数天、数月 充放电循环的储能系统。由于太阳能、风能等可再生能源发电具有不稳定、不连续、不可控等特 点，大规模并网会给电网安全稳定运行带来冲击，因此也造成了大量的弃风弃光现象，发展配套 储能电池系统并实现电能并网是目前新能源发电利用的重要问题。根据相关文献，风能/太阳能

9、 发电量占比50%-80%时，10小时以内的长时储能将不可或缺。4小时以上长时储能已成为真实刚需。根据相关经验，新能源占比达到15- 20%之后,4小时以上 的长时储能需求成为刚需。内蒙古发布关于加快推动新型储能发展的实施意见提出，新建市 场化并网新能源项目，配建储能规模原则上不低于新能源项目装机容量的15% ,储能时长4小时 以上。科技 部下发的十四五”国家重点研发计划储能与智能电网技术”重点专项2022年度项目 申报指南中也提出，储能技术时长持续4个小时以上，将作 为一项重要的考核指标进行验收。 在美国加州等光伏占比要求较高的地区，已开始使用6-8小时的储能进行调峰。储能时长越长，初始投资

10、成本越低钢电池面临的成本困境随着长时储能规模扩张能够得到缓解。储能时长越长，钿电池储能系统初 始投资成本越低。假设电解液价格约为1500元/kWh ,储能时长为Ih的储能系统价格约为6000 元/kWh ,随着储能时长变长,储能系统成本被分摊，初始投资成本为3630元/kWh ,参考行业 内招标信息头部企业如大连融科2.65元/Wh ,平均报价为3.1元/Wh0钢电池回收利用残值高， 可以半永久使用。由于钿电池电解液可在线或离线再生循环使用，自身不会降解，回收利用率较 高，残值可达70%以上，除电解液可循环利用外，电堆的电极和双极板（碳材料）及电极框（塑料） 可作为燃料使用，燃烧后只产生CO2

11、和H2O,集流板为铜板，端板为铝合金板或铸铁板，紧固 螺杆为钢材料，电池系统报废后，很容易回收循环利用。产业链：关催环节推进国产替代国产替代有望推动降本全机液流电池系统由电堆、电解质溶液储供子系统、电池管理子系统等组成，系统相对复杂。电 解液和电堆是钢电池的核心环节。从成本占比看，电解液占比约41% ,电堆占比约37% ,二者是 钢电池的主要成本来源。产业链不成熟，供给配套不完善，关键环节如离子交换膜等依赖进口产 品，是钢电池成本较高的原因之一。国产替代有望推动降本。从近期产业链跟踪来看，国内钢电 池产业链建设正在加速推进，产品性能追赶进口产品，随着装机规模不断扩张和政策大力支持， 关键环节国

12、产替代将推动钿电池进一步降本。电解液：提高利用率、创新商业模式推动降本电解液是钿电池最大的成本来源，主要降本路径为提高实际利用率和创新商业模式。电解液利用 率有待提升。电解液的体积和浓度决定了全钢液流电池储能系统能够储存的最大能量，电解液中五 氧化二钢占成本的2/3以上,理论上储存IkWh的电能需要5.6kg五氧化二钢，但目前电解液的 实际利用率仅能做到70% ,五氧化二钢用量约为8kg ,电解液利用率的提升将减少五氧化二钿用 量，进而降低投资成本。商业模式创新。由于电解液本身寿命较长、衰减少，通过金融租赁等商业 模式可以降低初期投资成本，目前业界正在逐步试点该模式。工业制备电解液多采用电解法

13、，壁 垒较高。电解液制备主要采用化学还原法和电解法，工业上多采用电解法，便于大规模生产，但 也存在速率慢、设备要求高、耗能高、成本高等缺点。由于过程中需要考虑电解质配比、温度、添 加剂等多种元素才可实现高效率生产高性能钿电解液，行业壁垒较高。目前国内能够批量生产电 解液的企业只有大连融科和河钢股份等少数几家企业。质子交换膜：国产产品成本占优，渗透率有望提升进口质子交换膜价格昂贵。质子交换膜是电极的主要成本来源，全钢液流电池产业链的明珠。传 统钢电池使用的膜材料主要使用国外杜邦公司生产的全氟磺酸离子交换膜，其成本较高，约占电 堆成本的55% ,且钿离子选择性相对较差。国产膜材料已实现技术突破，成

14、本仅为进口产品1/3 ,渗透率有望提升。根据GGIIf 2021年中国 市场液流电池质子交换膜国产化率约为23.15% ,其中科慕（原杜邦）的全氟磺酸树脂膜市场占比 达75%,国内出货量靠前的企业为科润新材料和东岳未来氢能。国产质子交换膜虽然在断裂伸长 率、机械强度等仍有差距，但在电导率、含水率等关键指标已追赶上 国外企业，且成本更低，据 科润新材介绍，其产品造价仅为进口产品的1/3 ,因此国产质子交换膜未来渗透率有望进一步提升。供需：钿资源自主可控，储能用机打破平衡钢主要存在于钢钛磁铁矿98%的钿储存在于钢钛磁铁矿，88%的钢产量来自于钿钛磁铁矿。钢在自然界中广泛存在，目前 发现的含钿矿物有

15、70多种，但主要的 矿物有以下3种：钢钛磁铁矿、钾钢铀矿、石油伴生矿。其 中钿钛磁铁矿是主要存在形式，现在已探明的钿资源储量的98%赋存于钢钛磁铁矿中。据钿钛 股份2021年公告，全球约88%的钿产量来自 于钢钛磁铁矿（原生矿20%+和钢渣60% ）,约 12%的钢由含钿二次资源（含钢燃油灰渣、废化学催化剂等）及含钢石煤生产。五氧化二钿是钢的主要二级产品,可作为合金添加剂用于冶炼钢铁，约占五氧化二钢消费量的80% 以上。五氧化二机通常从钿钛磁铁矿 的尾矿和含钿石煤矿中提取冶炼，高炉-转炉流程是目前国内 外钢钛磁铁矿最主要的冶炼方法。从原矿经选矿、高炉炼铁、转炉提钿后得到钢渣，钢回收率约 为50

16、% ,未来仍有提升空间。政策推动下，液流电池渗透率迅速提升 钢铁工业是钢的主要下游。传统需求方面，钢在钢铁工业主要用于制造钢 铁、氮化钢、钢氮合金等；在合金领域可用于制造钛合金，应用在飞机发动机、宇航船舱骨架、导弹、蒸汽轮机叶片、 火箭发动机壳等方面；在化 工领域主要用于硫酸、尿素等的催化剂和着色剂使用。三大领域分别 占比 91.4%2.80%336%储能领域是钿下游的新兴需求，2021年占比约为2.44%政策推动新型储能进入发展快车道。我们认为是2022年新型储能政策元年，未来随着电力市场 的逐渐完善，储能供应链配套、商业模式的日臻成 熟，新型储能将进入发展快车道。根据CNESA 预测，在保守场景下2026年新型储能累计规模将达到48.5GW , 2022-2026年复合增长率约为 53.3% ,理想场景下将达到79.5GW ,年复合年均增长率约为69.2%液流电池储