大規模長時儲能與全釩液流電池產業發展

嚴川偉

(1.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016；2.遼寧科京新材料有限公司，沈陽 110172)

0 引言

隨著中國碳達峰碳中和(下文簡稱為“雙碳”)目標及其實施戰略的確定，進一步強化了儲能在國家能源發展戰略中的重要性，也決定了儲能的發展將對經濟社會產生重要影響。其中，全釩液流電池作為滿足大規模長時儲能需求的一種新型儲能形式，其技術和產業發展受到高度關注。

本文旨在從技術和產業發展角度對全釩液流電池的背景、現狀和前景做簡要闡釋和分析，為大眾提供了解該技術的基本知識，為擬從事相關基礎研究的科學工作者立題研究提供行業背景指導，為擬投身儲能產業的青年人提供可能的職業判斷思路；為投資者做商業分析提供初步的專業素材；為相關企業制定發展戰略提供參考。

1 儲能其及在“雙碳”戰略下的意義

能源及其消費強度是一個社會發展水平的重要衡量指標。由于化石能源在當前能源結構中占比較高，是溫室效應及相應環境問題的重要根源，發展可再生能源(風能、太陽能)并以此替代傳統能源已成為全球共識。而可再生能源發電所固有的間歇性、波動性及不穩定性，必須配置相應的儲能才能實現大規模、可持續的開發利用。

因此，儲能及發展合適的儲能技術是社會能源發展或能源革命的必然要求，是電力發展的剛性需要和能源發展戰略的重要內容?！半p碳”戰略是指導中國社會經濟發展的原則，其不僅規定了實現碳達峰碳中和的任務目標和時間表，還明確了實現的根本途徑，即發展基于可再生能源的新型電力系統[1]。由于儲能是構建新型電力系統的重要支撐，所以“雙碳”戰略客觀上規定了儲能產業發展的路線圖。

盡管儲能的需求是多元和系統化的，其技術類型、特點和適應性各自不同，如圖1 所示，但在支撐可再生能源替代傳統化石能源及“雙碳”戰略意義方面，70%以上的儲能需求是大規模、長時間的容量型或能量型儲能。

圖1 典型儲能形式的技術特征與應用適合性Fig. 1 Technological characteristic and using suitability of classical ways for energy storage

早在半個世紀前，液流電池就被認為是克服可再生能源(風能、太陽能)自身缺點和局限性的技術[2]。歷經數十年發展，全釩液流電池現已是最成熟、最接近產業化的液流電池技術，必將成為實現“雙碳”戰略的現實有力的儲能手段。

2 大規模儲能的要求與技術

2.1 基本要求

用作大規模儲能的儲能技術，必須滿足技術適合性、安全可靠性和經濟性等最基本要求。

1)技術適合性：在技術上適用于或滿足于以容量型為主的大規模、長時間儲能的應用。

2)安全可靠性：由于大型儲能系統是電力供給系統的重要環節，技術必須達到足夠安全、足夠可靠(出問題的概率足夠低)。毫無疑問，儲能技術本身足夠安全(本征安全)是儲能系統足夠安全的重要保障。

3)經濟性：能夠進行良性的商業化操作，在市場環境下能可持續地、大規模地推廣應用，發揮其功能和社會價值。當然，這不排除作為新技術在發展初期可能獲得或需要獲得政府政策性扶持或補貼，但該技術最終必須走上能自我盈利和獨立運行的商業化軌道。

此外，環境友好或環保性既可以作為一項獨立要求，也可以合并在經濟性中予以考慮。

2.2 關于大規模儲能的技術

基于研究和工程實踐及其所獲得的業界共識，適合于長時間、大規模的儲能形式主要包括如下3 類。

1)抽水蓄能：作為最成熟可靠的儲能技術，是近年來中國重點投資建設的儲能形式，國內外已有眾多的應用案例。甚至抽水蓄能已經作為大規模儲能的標桿，經常以其能量轉換效率、初始投資及全壽命成本等方面指標來對發展的新型儲能技術進行比較評判。

抽水蓄能的局限性主要在于其對建設選址的要求較高(建壩條件、環境影響和淹沒區移民等)，一些地區可用于建大型抽水蓄能電站的資源已近枯竭(如江蘇省等)，且建設周期漫長(7～10 年)。

2)壓縮空氣儲能：雖然傳統的壓縮空氣儲能屬于成熟技術，但由于系統在運行過程中需要補充額外能源(壓縮過程放熱能量散失，膨脹過程吸熱需用燃氣燃燒予以補充)，導致系統的能量轉換效率偏低(僅20%～50%)，并且其也受資源條件限制(需要利用大型地下巖洞或礦洞等作為儲氣庫)。

但近年來針對傳統壓縮空氣儲能進行的研究取得了進展，發展為新型壓縮空氣儲能技術，主要是將壓縮熱進行有效存儲和利用，提升了能量轉換效率(可達到60%或以上)。

3)液流電池：液流電池包括多種形式，全釩液流電池是最接近產業化和規?；瘧玫囊环N。全釩液流電池主要特點在于：本征的安全性(是水性體系的電池)，適合性(基本電池單元大、液流便于熱管理、壽命長)，經濟性潛力大(技術進步快，而且“天花板”足夠高)。

全釩液流電池不受地域、環境等條件的限制，其儲能規模上限小于抽水蓄能等，但屬于大規模儲能“賽道”的技術，其應用應該定位于大規模、長時間儲能。

抽水蓄能、壓縮空氣儲能和全釩液流電池3種儲能技術的特性比較如表1 所示。

表1 3 種儲能技術的特性比較Table 1 Comparison of characteristics of three types of energy storage technologies

3 全釩液流電池技術的發展

3.1 電池堆及其應用

首先，關鍵性技術指標取得了大幅度提升。例如，工作電流密度(在約定的能量轉換效率下，單位電極面積上能實現的工作電流值)，當能量轉換效率為80%時(該值現已被業界約定俗成地作為可接受的入門條件)，10 年前的工作電流密度在70～100 mA/cm2，當前已達到200 mA/cm2，提高了2～3 倍，使電池堆單位千瓦制造成本成倍下降。

其次，電池堆及儲能系統的可靠性獲得了實質性改善?，F在作為核心部件的電池堆出問題的概率已經較低，基本可以像其他傳統電氣設備一樣穩定地工作。

3.2 電池關鍵材料

1)電極：是釩離子電極反應的載體(本身不參加電化學反應過程)，需要有很好的化學和電化學穩定性、良好的導電性、較大的表面積和較高的釩離子反應活性。石墨氈是技術和經濟方面均適宜的電極材料。

導電性和電化學活性是電極材料的最主要性能。人們已經對相應的影響因素及作用規律甚至電極反應機制做了較為系統的研究，有了較為充分的認識，形成了電極材料性能調控的基本理論體系和技術工藝系統，這不僅支撐了近年來電池堆技術水平的持續提高，也能較好地滿足產業進一步的發展需求。

國內經典的石墨氈電極材料產品的技術指標已與國外先進水平相當。與此同時，隨著流過式電池堆技術的發展，適合于新電池結構的石墨基新型材料也已經處于試驗驗證階段。

2)雙極板：作為隔離相鄰單體(片)電池的導電部件，需要具有良好的化學和電化學穩定性、良好的導電性(包括本體導電和接觸導電)。碳基導電復合材料是適宜的材料類型。但與這類材料的傳統應用(導靜電)不同，作為雙極板對導電性的要求高得多，技術開發的核心在于導電和機械性能的協同優化，而不同的工藝方式對生產效率和成本有較大影響。

目前的技術和工藝可以滿足產業需求。不過，雙極板面臨的技術發展挑戰在于：兼容電池堆焊接工藝的應用和流過式結構趨勢(雙極板的基本功能疊加傳質或輔助傳質功能)，以適應電池堆技術發展的需要。

3)隔膜：功能在于隔離釩離子傳導氫離子，實現電路上的離子導通。因此，需要具有良好的導電性、離子選擇透過性及穩定性?，F有2 種類型的材料：篩分膜(包括含氟和非氟材料)、質子交換膜(全氟磺酸膜)。

全氟磺酸質子交換膜作為全釩液流電池產業應用的主流產品，國內的連續化制備工藝已開發成功，產品技術指標已達到國外先進水平。

3.3 電解液

電解液是活性物質所在，在電池中通過釩離子的價態變化實現能量存儲，是價值占比最大的部分(占儲能系統成本的50%～60%，甚至更高)。電解液主要有2 類：一類由硫酸作支持電解質，另一類以混酸(硫酸+鹽酸)作支持電解質。混酸體系的電解液與硫酸的相比，允許的釩離子濃度更高，耐高溫穩定性更好，但由于鹽酸組分的揮發性大，一旦系統稍有泄漏將會對周圍電氣設備產生嚴重的腐蝕損害。

傳統的電解液制備是在提釩工藝過程所獲得釩產品(如V2O5等)的基礎上再進行還原(化學還原或電化學還原)，流程較長，但技術成熟、工藝可靠，是當前制備電解液產品主要的工藝方式(各生產企業在所使用的具體還原劑或工藝上有所不同)。

電解液制備技術的一個發展趨勢是將提釩與電解液制備2 個工藝過程加以融合，使制成電解液的全流程變短，即所謂的短流程電解液制備。已經有企業開發成功了由更低成本的釩渣浸出液直接制備電解液產品的短流程技術。

3.4 關于主要技術趨勢

1)電池堆結構焊接：基于電池體系對材料惰性的要求(不能用金屬類材料)及成本方面的考慮，全釩液流電池電池堆的主體結構材料只能選用常規的聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等聚合物基材料。以壓緊螺桿為主的緊固方式難免導致結構的變形，影響電池堆的功能性甚至可靠性(這種方式用于壓濾機、氯堿工業電解堆、燃料電池堆時，由于主體結構材料，比如金屬、高強復合材料等，有足夠的強度不會變形，基本不存在類似問題或風險)，發展新的結構和緊固方式勢在必行。焊接可在一定程度上解決上述問題，并可為新的電池堆功能性設計帶來便利或可能性。

基于激光焊接的電池堆結構工藝已經得到了發展和應用，為電池堆產品的可靠性提高發揮了重要作用，并將逐漸成為一種主流工藝。

2)流過式電池堆結構：此前電池堆技術指標的大幅提高主要是基于降低物理內阻(物理內阻是總內阻的主要構成部分，是制約電池堆性能指標，比如工作電流密度提高的瓶頸)，即通過減小材料電阻、界面電阻及優化電池結構，使物理內阻及電池總內阻顯著降低。但當降低到一定程度，該方面潛力被挖掘殆盡時，其他的短板就會顯現，那就是液相傳質(釩離子到達和離開電極表面的輸運)阻力。解決策略主要在于，通過采用帶有流道的流過式電池堆結構消除或減小液相傳質阻力，進一步提升電池堆的工作電流密度/功率密度。這將是近期技術發展的一個主要趨勢。

4 釩資源及其市場

4.1 釩的來源

當前全球每年釩(以V2O5計，下同)的生產和消費均為20 萬t 左右，中國每年生產和消費釩均大約為13 萬t。釩的來源主要是如下3 個途徑。

1)從釩渣提取：以釩鈦磁鐵礦為原料的鋼鐵冶金副產品釩渣(全球來自該途徑的釩占總量的60%，國內來自該途徑的釩占總量的85%)生產。由于釩渣含釩比例高(8%～20%)，提釩的成本相對較低。

2)從含釩礦物直接提取：包括釩鈦磁鐵礦、石煤等礦物的開采利用(全球來自該途徑的釩占總量的15%，國內來自該途徑的釩占總量的13%)。

釩鈦磁鐵礦的直接提釩及可行性對于諸如利用河北省與遼寧省交界地帶巨大的低鐵低鈦釩鈦磁鐵礦礦脈資源也許具有意義(不適合于鋼鐵冶金的副產方式的開采利用)，值得關注。但特別值得注意的是，對于中國特有的含釩資源——石煤的利用，不僅因為其分布廣泛(涉及從中國西北至東南多個省份)、儲量大，而且有較充分的開發工藝和工程經驗保證。此外，由于石煤中含金屬離子雜質少，有利于電解液產品的品質控制。

3)含釩固體廢棄物的綜合利用：包括重油渣、廢催化劑、電廠灰的資源化利用(全球來自該途徑的釩占總量的19%，國內來自該途徑的釩占總量的2%)。國內通過此途徑的產釩比例較低，有待于進一步挖掘潛力。

對于國外豐富的含釩廢物，由于中國自2021 年起全面禁止從境外進口廢棄物，使直接進口含釩廢棄物到國內進行加工利用已無可能，但可考慮針對富釩石油渣等的合法合規的境外就地開發。

4.2 “雙碳”戰略對釩的需求

根據中國基于新能源替代的“雙碳”戰略和對應的儲能路線圖，以及國家相關規劃和地方及行業計劃，結合相關領域技術產業發展的慣例和經驗，到2030 年，中國風電、光伏發電裝機將達1800 GW(占總發電裝機的25%)，若按13%配置儲能，則儲能規模為234 GW，除去抽水蓄能113 GW，新型儲能(抽水蓄能之外的儲能形式)為121 GW；到2050 年，中國風電、光伏發電裝機將達5570 GW(占總發電裝機的74%)，按15%配置儲能，儲能裝機為830 GW，除去抽水蓄能170 GW，新型儲能為660 GW[3]。

假設全釩液流電池占新型儲能的20%，儲能時間按5 h 計，儲電1 kWh 需釩按10 kg 計，則到2030 年，全釩液流電池儲能需釩量約121萬t(2022—2030 年期間年平均增量約15 萬t)；到2050 年，全釩液流電池儲能共需釩660 萬t(2022—2050 年期間年平均增量24 萬t)。

全球探明基于釩鈦磁鐵礦(副產釩)的釩儲量為3600 萬t，排名靠前的依次是中國1691 萬t(占47%)、俄羅斯890 萬t(占25%)、南非623萬t(占17%)、澳大利亞374 萬t(占10%)。另外，中國特有的石煤釩探明儲量超過1 億t，其中含釩0.8%以上(具有實際開采價值)的超過1000萬t(僅湖南省湘西地區就有約800 萬t)。

因此，從釩資源角度，完全可以滿足“雙碳”戰略下的全釩液流電池儲能產業的發展。

4.3 釩的生產消費及市場

在全釩液流電池發展的近10 余年中，釩價出現較大幅度波動。表象上釩價及其波動是制約全釩液流電池儲能產業發展的關鍵，釩的開采成本也被懷疑是核心影響因素，但事實并非如此。

現有國內釩市場是與鋼鐵密切相關的市場：85%的釩產自鋼鐵冶金(釩鈦磁鐵礦為原料冶金的副產品)；90%以上的釩消費是在鋼鐵上(為提高鋼鐵產品的性能，添加不超過0.5%的釩作為合金元素)，并且由于建筑用鋼新標準的實施也強化了鋼鐵對釩的消費需求。所以，釩在鋼鐵行業的應用和消費是剛需，市場和諧、穩定。

鋼鐵的應用中(鋼中添加釩)，釩作為合金元素所占比例甚小，所以釩價格波動對終極產品鋼材的成本影響很小(對釩價不敏感)。但是，對于作為主體材料的全釩液流電池行業則完全不同(儲能系統造價中釩占比不低于50%)，類似的釩價波動就顯得影響太大了。同時，現有釩市場的產能受制于(基于釩鈦磁鐵礦)鋼鐵產能的綁定和限制，不僅不可能大幅度擴張，甚至根據市場供需進行彈性調整都有難度。這勢必導致隨全釩液流電池項目增長，很快出現釩價的提高，對產業啟動產生抑制甚至“剎車”作用。

因此，在某種程度上，全釩液流電池產業對釩的應用或消費與現有釩市場是不兼容的。如果一味依賴現有釩市場，全釩液流電池儲能產業的啟動和發展可能比較困難。

在國內，釩的來源主要是釩渣(釩鈦磁鐵礦冶金副產)和石煤提釩。石煤提釩全成本(包括環保)在5～8 萬元/t，而釩渣提釩低于這一數值。此成本完全可確保上游(提釩)和下游(全釩液流電池應用)找到都能接受的利益平衡點(一個各方都有合理利潤、都可接受的價格)。所以，釩的成本不應是限制全釩液流電池產業的因素。

5 中國全釩液流電池產業鏈發展狀況

中國已形成了初步完整的全釩液流電池產業鏈，電池堆、雙極板、隔膜、電極、電解液等領域都有相應企業從事細分產業的產品工作。并且，一些企業圍繞國家的“雙碳”戰略，制定了企業的同步發展規劃，有序地推進擴產或產業升級計劃。中國全釩液流電池產業鏈主要企業如表2 所示。

表2 中國全釩液流電池產業鏈主要企業Table 2 Major companies on the industrial chain of VFB in China

6 政策與標準

國家針對儲能不斷出臺產業促進政策，已使儲能產業化發展初步具備了基本的政策環境條件[4]。主要的國家級儲能政策文件如表3 所示。

表3 主要的國家級儲能政策文件Table 3 Major national policy documents related on storage energy

1)儲能市場主體地位：國家一再重申儲能企業可以作為市場主體，參與市場交易，這對產業發展具有重要意義。但獨立主體參與市場規則等還有待于進一步明確，如準入標準、購/放電價格、結算方式等。

2)配置儲能：絕大部分的省區提出了建設新能源配置儲能的要求(配置儲能的百分比基本在5%～30%)。但簡單通過硬性要求或優先并網條件就將儲能成本直接加載到新能源企業的合理性存在質疑，也就是說，在成本傳導的機制方面有待做進一步細化并形成具有較強操作性的細則。

3)分時電價：峰谷分時電價是按高峰用電和低谷用電分別計算電費的一種電價制度。實行峰谷分時電價，是電能商品時間差價的反映，體現了市場經濟原則，也是實現儲能商業化(套利)的重要條件[5]。在國家出臺優化分時電價改革意見后，多個省區先后出臺相應的政策和措施，總體上使峰谷差呈現逐漸拉大的趨勢(珠三角地區的最大峰谷差已達1.4 元/kWh)。

4)兩部制電價：國家已確定抽水蓄能在2023 年開始實施兩部制電價政策，并不斷明確了電量電價和容量電價的形成規則，已經具有比較強的操作性。預計該政策不久將向液流電池儲能推廣或遷延。

5)標準：已經形成了涉及材料、電池、工程應用及安全等方面的完整的全釩液流電池國家、行業及團體標準體系；同時，在應用端的儲電站設計、運行指標評價、電網接入要求等也制定了系列標準。主要的相關國家標準和行業標準如表4 所示。

表4 全釩液流電池及儲能應用主要的國家標準和行業標準Table 4 Major national standards and industrial standards for VFB and its application

7 關于成本

對于成本，盡管從初始投資來考慮不盡合理(從全壽命周期來考慮更科學、更有意義)，但基于習慣和便于直觀比較，本文還是從這個角度進行簡要分析。

對于液流電池，影響儲能系統建設初始投資的要素主要有：儲能時間、功率成本(電池堆的單位千瓦成本)和容量成本(電解液成本)。

與傳統的二次電池儲能不同，以全釩液流電池為代表的液流電池，由于其具有功率和容量相互獨立的特點，一定功率條件下儲能時間越長，越有利于系統的初始投資成本降低(在功率條件不變條件下，增加電解液即增加了容量，故長時儲能有利于攤薄度電建設成本)。

功率成本會隨著電池堆結構技術水平提高而下降(以工作電流密度為標志，當前電池堆產品的工作電流密度基本在150～200 mA/cm2)，幾年后電池堆產品的工作電流密度可能達到或超過300 mA/cm2，功率成本下降至少30%～50%。若將材料及其成本降低考慮在內，功率成本下降幅度會更大。

容量成本與釩的開采和電解液制造均有關，把兩者融合為一的思路——電解液的短流程制備技術已取得突破，使電解液制造成本相對于傳統的長流程(提釩+制電解液)降低超過30%。如果實施融資租賃的商業模式，電解液在儲能系統初始投資中的比例將進一步明顯下降。

在當前技術狀態和產業環境下，全釩液流電池儲能系統的建設成本(直流側，儲能時間不低于4 h)已接近3000 元/kWh，甚至有企業可以做到2000～3000 元/kWh；在不久的將來(例如2年后)，有望低于2000 元/kWh，與抽水蓄能處于相似的量級上。

8 總結與展望

1)全釩液流電池安全性好(本征安全)，技術特性適合于大規模和長時間儲能，與傳統的抽水蓄能等在儲能規模、時長、建造條件和靈活性等方面具有明顯的互補性或差異性，作為一種現實可用和可靠的儲能技術，在支撐“雙碳”戰略實施上具有不可替代性。

2)全釩液流電池的技術性能與成本已接近滿足大規模產業化、商業化發展的要求，而技術經濟性進一步發展的潛力或進步的空間仍很大。

3)全釩液流電池及其儲能產業發展沒有資源性限制，釩資源足以支撐產業的可持續發展；另外，由于中國釩資源十分豐富，還構成了發展該產業的獨特優勢。

4)現有釩市場及其特點對于發展基于全釩液流電池的儲能產業是不充分和受限的，解決的關鍵在于對更多釩源(尤其石煤釩)的開發，構建廣泛來源的釩資源大市場；電解液及其穩定供應是當前全釩液流電池儲能產業啟動和發展的瓶頸，也是產業面臨的最重要和最緊迫的任務之一。

5)全釩液流電池儲能已經呈現了初步產業化發展態勢，可以預期，隨著“雙碳”戰略的推進，即將迎來產業蓬勃發展的新時代。