大规模长时储能与全钒液流电池产业发展

严川伟

(1.中国科学院金属研究所，沈阳 110016；2.辽宁科京新材料有限公司，沈阳 110172)

0 引言

随着中国碳达峰碳中和(下文简称为“双碳”)目标及其实施战略的确定，进一步强化了储能在国家能源发展战略中的重要性，也决定了储能的发展将对经济社会产生重要影响。其中，全钒液流电池作为满足大规模长时储能需求的一种新型储能形式，其技术和产业发展受到高度关注。

本文旨在从技术和产业发展角度对全钒液流电池的背景、现状和前景做简要阐释和分析，为大众提供了解该技术的基本知识，为拟从事相关基础研究的科学工作者立题研究提供行业背景指导，为拟投身储能产业的青年人提供可能的职业判断思路；为投资者做商业分析提供初步的专业素材；为相关企业制定发展战略提供参考。

1 储能其及在“双碳”战略下的意义

能源及其消费强度是一个社会发展水平的重要衡量指标。由于化石能源在当前能源结构中占比较高，是温室效应及相应环境问题的重要根源，发展可再生能源(风能、太阳能)并以此替代传统能源已成为全球共识。而可再生能源发电所固有的间歇性、波动性及不稳定性，必须配置相应的储能才能实现大规模、可持续的开发利用。

因此，储能及发展合适的储能技术是社会能源发展或能源革命的必然要求，是电力发展的刚性需要和能源发展战略的重要内容。“双碳”战略是指导中国社会经济发展的原则，其不仅规定了实现碳达峰碳中和的任务目标和时间表，还明确了实现的根本途径，即发展基于可再生能源的新型电力系统[1]。由于储能是构建新型电力系统的重要支撑，所以“双碳”战略客观上规定了储能产业发展的路线图。

尽管储能的需求是多元和系统化的，其技术类型、特点和适应性各自不同，如图1 所示，但在支撑可再生能源替代传统化石能源及“双碳”战略意义方面，70%以上的储能需求是大规模、长时间的容量型或能量型储能。

图1 典型储能形式的技术特征与应用适合性Fig. 1 Technological characteristic and using suitability of classical ways for energy storage

早在半个世纪前，液流电池就被认为是克服可再生能源(风能、太阳能)自身缺点和局限性的技术[2]。历经数十年发展，全钒液流电池现已是最成熟、最接近产业化的液流电池技术，必将成为实现“双碳”战略的现实有力的储能手段。

2 大规模储能的要求与技术

2.1 基本要求

用作大规模储能的储能技术，必须满足技术适合性、安全可靠性和经济性等最基本要求。

1)技术适合性：在技术上适用于或满足于以容量型为主的大规模、长时间储能的应用。

2)安全可靠性：由于大型储能系统是电力供给系统的重要环节，技术必须达到足够安全、足够可靠(出问题的概率足够低)。毫无疑问，储能技术本身足够安全(本征安全)是储能系统足够安全的重要保障。

3)经济性：能够进行良性的商业化操作，在市场环境下能可持续地、大规模地推广应用，发挥其功能和社会价值。当然，这不排除作为新技术在发展初期可能获得或需要获得政府政策性扶持或补贴，但该技术最终必须走上能自我盈利和独立运行的商业化轨道。

此外，环境友好或环保性既可以作为一项独立要求，也可以合并在经济性中予以考虑。

2.2 关于大规模储能的技术

基于研究和工程实践及其所获得的业界共识，适合于长时间、大规模的储能形式主要包括如下3 类。

1)抽水蓄能：作为最成熟可靠的储能技术，是近年来中国重点投资建设的储能形式，国内外已有众多的应用案例。甚至抽水蓄能已经作为大规模储能的标杆，经常以其能量转换效率、初始投资及全寿命成本等方面指标来对发展的新型储能技术进行比较评判。

抽水蓄能的局限性主要在于其对建设选址的要求较高(建坝条件、环境影响和淹没区移民等)，一些地区可用于建大型抽水蓄能电站的资源已近枯竭(如江苏省等)，且建设周期漫长(7～10 年)。

2)压缩空气储能：虽然传统的压缩空气储能属于成熟技术，但由于系统在运行过程中需要补充额外能源(压缩过程放热能量散失，膨胀过程吸热需用燃气燃烧予以补充)，导致系统的能量转换效率偏低(仅20%～50%)，并且其也受资源条件限制(需要利用大型地下岩洞或矿洞等作为储气库)。

但近年来针对传统压缩空气储能进行的研究取得了进展，发展为新型压缩空气储能技术，主要是将压缩热进行有效存储和利用，提升了能量转换效率(可达到60%或以上)。

3)液流电池：液流电池包括多种形式，全钒液流电池是最接近产业化和规模化应用的一种。全钒液流电池主要特点在于：本征的安全性(是水性体系的电池)，适合性(基本电池单元大、液流便于热管理、寿命长)，经济性潜力大(技术进步快，而且“天花板”足够高)。

全钒液流电池不受地域、环境等条件的限制，其储能规模上限小于抽水蓄能等，但属于大规模储能“赛道”的技术，其应用应该定位于大规模、长时间储能。

抽水蓄能、压缩空气储能和全钒液流电池3种储能技术的特性比较如表1 所示。

表1 3 种储能技术的特性比较Table 1 Comparison of characteristics of three types of energy storage technologies

3 全钒液流电池技术的发展

3.1 电池堆及其应用

首先，关键性技术指标取得了大幅度提升。例如，工作电流密度(在约定的能量转换效率下，单位电极面积上能实现的工作电流值)，当能量转换效率为80%时(该值现已被业界约定俗成地作为可接受的入门条件)，10 年前的工作电流密度在70～100 mA/cm2，当前已达到200 mA/cm2，提高了2～3 倍，使电池堆单位千瓦制造成本成倍下降。

其次，电池堆及储能系统的可靠性获得了实质性改善。现在作为核心部件的电池堆出问题的概率已经较低，基本可以像其他传统电气设备一样稳定地工作。

3.2 电池关键材料

1)电极：是钒离子电极反应的载体(本身不参加电化学反应过程)，需要有很好的化学和电化学稳定性、良好的导电性、较大的表面积和较高的钒离子反应活性。石墨毡是技术和经济方面均适宜的电极材料。

导电性和电化学活性是电极材料的最主要性能。人们已经对相应的影响因素及作用规律甚至电极反应机制做了较为系统的研究，有了较为充分的认识，形成了电极材料性能调控的基本理论体系和技术工艺系统，这不仅支撑了近年来电池堆技术水平的持续提高，也能较好地满足产业进一步的发展需求。

国内经典的石墨毡电极材料产品的技术指标已与国外先进水平相当。与此同时，随着流过式电池堆技术的发展，适合于新电池结构的石墨基新型材料也已经处于试验验证阶段。

2)双极板：作为隔离相邻单体(片)电池的导电部件，需要具有良好的化学和电化学稳定性、良好的导电性(包括本体导电和接触导电)。碳基导电复合材料是适宜的材料类型。但与这类材料的传统应用(导静电)不同，作为双极板对导电性的要求高得多，技术开发的核心在于导电和机械性能的协同优化，而不同的工艺方式对生产效率和成本有较大影响。

目前的技术和工艺可以满足产业需求。不过，双极板面临的技术发展挑战在于：兼容电池堆焊接工艺的应用和流过式结构趋势(双极板的基本功能叠加传质或辅助传质功能)，以适应电池堆技术发展的需要。

3)隔膜：功能在于隔离钒离子传导氢离子，实现电路上的离子导通。因此，需要具有良好的导电性、离子选择透过性及稳定性。现有2 种类型的材料：筛分膜(包括含氟和非氟材料)、质子交换膜(全氟磺酸膜)。

全氟磺酸质子交换膜作为全钒液流电池产业应用的主流产品，国内的连续化制备工艺已开发成功，产品技术指标已达到国外先进水平。

3.3 电解液

电解液是活性物质所在，在电池中通过钒离子的价态变化实现能量存储，是价值占比最大的部分(占储能系统成本的50%～60%，甚至更高)。电解液主要有2 类：一类由硫酸作支持电解质，另一类以混酸(硫酸+盐酸)作支持电解质。混酸体系的电解液与硫酸的相比，允许的钒离子浓度更高，耐高温稳定性更好，但由于盐酸组分的挥发性大，一旦系统稍有泄漏将会对周围电气设备产生严重的腐蚀损害。

传统的电解液制备是在提钒工艺过程所获得钒产品(如V2O5等)的基础上再进行还原(化学还原或电化学还原)，流程较长，但技术成熟、工艺可靠，是当前制备电解液产品主要的工艺方式(各生产企业在所使用的具体还原剂或工艺上有所不同)。

电解液制备技术的一个发展趋势是将提钒与电解液制备2 个工艺过程加以融合，使制成电解液的全流程变短，即所谓的短流程电解液制备。已经有企业开发成功了由更低成本的钒渣浸出液直接制备电解液产品的短流程技术。

3.4 关于主要技术趋势

1)电池堆结构焊接：基于电池体系对材料惰性的要求(不能用金属类材料)及成本方面的考虑，全钒液流电池电池堆的主体结构材料只能选用常规的聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等聚合物基材料。以压紧螺杆为主的紧固方式难免导致结构的变形，影响电池堆的功能性甚至可靠性(这种方式用于压滤机、氯碱工业电解堆、燃料电池堆时，由于主体结构材料，比如金属、高强复合材料等，有足够的强度不会变形，基本不存在类似问题或风险)，发展新的结构和紧固方式势在必行。焊接可在一定程度上解决上述问题，并可为新的电池堆功能性设计带来便利或可能性。

基于激光焊接的电池堆结构工艺已经得到了发展和应用，为电池堆产品的可靠性提高发挥了重要作用，并将逐渐成为一种主流工艺。

2)流过式电池堆结构：此前电池堆技术指标的大幅提高主要是基于降低物理内阻(物理内阻是总内阻的主要构成部分，是制约电池堆性能指标，比如工作电流密度提高的瓶颈)，即通过减小材料电阻、界面电阻及优化电池结构，使物理内阻及电池总内阻显著降低。但当降低到一定程度，该方面潜力被挖掘殆尽时，其他的短板就会显现，那就是液相传质(钒离子到达和离开电极表面的输运)阻力。解决策略主要在于，通过采用带有流道的流过式电池堆结构消除或减小液相传质阻力，进一步提升电池堆的工作电流密度/功率密度。这将是近期技术发展的一个主要趋势。

4 钒资源及其市场

4.1 钒的来源

当前全球每年钒(以V2O5计，下同)的生产和消费均为20 万t 左右，中国每年生产和消费钒均大约为13 万t。钒的来源主要是如下3 个途径。

1)从钒渣提取：以钒钛磁铁矿为原料的钢铁冶金副产品钒渣(全球来自该途径的钒占总量的60%，国内来自该途径的钒占总量的85%)生产。由于钒渣含钒比例高(8%～20%)，提钒的成本相对较低。

2)从含钒矿物直接提取：包括钒钛磁铁矿、石煤等矿物的开采利用(全球来自该途径的钒占总量的15%，国内来自该途径的钒占总量的13%)。

钒钛磁铁矿的直接提钒及可行性对于诸如利用河北省与辽宁省交界地带巨大的低铁低钛钒钛磁铁矿矿脉资源也许具有意义(不适合于钢铁冶金的副产方式的开采利用)，值得关注。但特别值得注意的是，对于中国特有的含钒资源——石煤的利用，不仅因为其分布广泛(涉及从中国西北至东南多个省份)、储量大，而且有较充分的开发工艺和工程经验保证。此外，由于石煤中含金属离子杂质少，有利于电解液产品的品质控制。

3)含钒固体废弃物的综合利用：包括重油渣、废催化剂、电厂灰的资源化利用(全球来自该途径的钒占总量的19%，国内来自该途径的钒占总量的2%)。国内通过此途径的产钒比例较低，有待于进一步挖掘潜力。

对于国外丰富的含钒废物，由于中国自2021 年起全面禁止从境外进口废弃物，使直接进口含钒废弃物到国内进行加工利用已无可能，但可考虑针对富钒石油渣等的合法合规的境外就地开发。

4.2 “双碳”战略对钒的需求

根据中国基于新能源替代的“双碳”战略和对应的储能路线图，以及国家相关规划和地方及行业计划，结合相关领域技术产业发展的惯例和经验，到2030 年，中国风电、光伏发电装机将达1800 GW(占总发电装机的25%)，若按13%配置储能，则储能规模为234 GW，除去抽水蓄能113 GW，新型储能(抽水蓄能之外的储能形式)为121 GW；到2050 年，中国风电、光伏发电装机将达5570 GW(占总发电装机的74%)，按15%配置储能，储能装机为830 GW，除去抽水蓄能170 GW，新型储能为660 GW[3]。

假设全钒液流电池占新型储能的20%，储能时间按5 h 计，储电1 kWh 需钒按10 kg 计，则到2030 年，全钒液流电池储能需钒量约121万t(2022—2030 年期间年平均增量约15 万t)；到2050 年，全钒液流电池储能共需钒660 万t(2022—2050 年期间年平均增量24 万t)。

全球探明基于钒钛磁铁矿(副产钒)的钒储量为3600 万t，排名靠前的依次是中国1691 万t(占47%)、俄罗斯890 万t(占25%)、南非623万t(占17%)、澳大利亚374 万t(占10%)。另外，中国特有的石煤钒探明储量超过1 亿t，其中含钒0.8%以上(具有实际开采价值)的超过1000万t(仅湖南省湘西地区就有约800 万t)。

因此，从钒资源角度，完全可以满足“双碳”战略下的全钒液流电池储能产业的发展。

4.3 钒的生产消费及市场

在全钒液流电池发展的近10 余年中，钒价出现较大幅度波动。表象上钒价及其波动是制约全钒液流电池储能产业发展的关键，钒的开采成本也被怀疑是核心影响因素，但事实并非如此。

现有国内钒市场是与钢铁密切相关的市场：85%的钒产自钢铁冶金(钒钛磁铁矿为原料冶金的副产品)；90%以上的钒消费是在钢铁上(为提高钢铁产品的性能，添加不超过0.5%的钒作为合金元素)，并且由于建筑用钢新标准的实施也强化了钢铁对钒的消费需求。所以，钒在钢铁行业的应用和消费是刚需，市场和谐、稳定。

钢铁的应用中(钢中添加钒)，钒作为合金元素所占比例甚小，所以钒价格波动对终极产品钢材的成本影响很小(对钒价不敏感)。但是，对于作为主体材料的全钒液流电池行业则完全不同(储能系统造价中钒占比不低于50%)，类似的钒价波动就显得影响太大了。同时，现有钒市场的产能受制于(基于钒钛磁铁矿)钢铁产能的绑定和限制，不仅不可能大幅度扩张，甚至根据市场供需进行弹性调整都有难度。这势必导致随全钒液流电池项目增长，很快出现钒价的提高，对产业启动产生抑制甚至“刹车”作用。

因此，在某种程度上，全钒液流电池产业对钒的应用或消费与现有钒市场是不兼容的。如果一味依赖现有钒市场，全钒液流电池储能产业的启动和发展可能比较困难。

在国内，钒的来源主要是钒渣(钒钛磁铁矿冶金副产)和石煤提钒。石煤提钒全成本(包括环保)在5～8 万元/t，而钒渣提钒低于这一数值。此成本完全可确保上游(提钒)和下游(全钒液流电池应用)找到都能接受的利益平衡点(一个各方都有合理利润、都可接受的价格)。所以，钒的成本不应是限制全钒液流电池产业的因素。

5 中国全钒液流电池产业链发展状况

中国已形成了初步完整的全钒液流电池产业链，电池堆、双极板、隔膜、电极、电解液等领域都有相应企业从事细分产业的产品工作。并且，一些企业围绕国家的“双碳”战略，制定了企业的同步发展规划，有序地推进扩产或产业升级计划。中国全钒液流电池产业链主要企业如表2 所示。

表2 中国全钒液流电池产业链主要企业Table 2 Major companies on the industrial chain of VFB in China

6 政策与标准

国家针对储能不断出台产业促进政策，已使储能产业化发展初步具备了基本的政策环境条件[4]。主要的国家级储能政策文件如表3 所示。

表3 主要的国家级储能政策文件Table 3 Major national policy documents related on storage energy

1)储能市场主体地位：国家一再重申储能企业可以作为市场主体，参与市场交易，这对产业发展具有重要意义。但独立主体参与市场规则等还有待于进一步明确，如准入标准、购/放电价格、结算方式等。

2)配置储能：绝大部分的省区提出了建设新能源配置储能的要求(配置储能的百分比基本在5%～30%)。但简单通过硬性要求或优先并网条件就将储能成本直接加载到新能源企业的合理性存在质疑，也就是说，在成本传导的机制方面有待做进一步细化并形成具有较强操作性的细则。

3)分时电价：峰谷分时电价是按高峰用电和低谷用电分别计算电费的一种电价制度。实行峰谷分时电价，是电能商品时间差价的反映，体现了市场经济原则，也是实现储能商业化(套利)的重要条件[5]。在国家出台优化分时电价改革意见后，多个省区先后出台相应的政策和措施，总体上使峰谷差呈现逐渐拉大的趋势(珠三角地区的最大峰谷差已达1.4 元/kWh)。

4)两部制电价：国家已确定抽水蓄能在2023 年开始实施两部制电价政策，并不断明确了电量电价和容量电价的形成规则，已经具有比较强的操作性。预计该政策不久将向液流电池储能推广或迁延。

5)标准：已经形成了涉及材料、电池、工程应用及安全等方面的完整的全钒液流电池国家、行业及团体标准体系；同时，在应用端的储电站设计、运行指标评价、电网接入要求等也制定了系列标准。主要的相关国家标准和行业标准如表4 所示。

表4 全钒液流电池及储能应用主要的国家标准和行业标准Table 4 Major national standards and industrial standards for VFB and its application

7 关于成本

对于成本，尽管从初始投资来考虑不尽合理(从全寿命周期来考虑更科学、更有意义)，但基于习惯和便于直观比较，本文还是从这个角度进行简要分析。

对于液流电池，影响储能系统建设初始投资的要素主要有：储能时间、功率成本(电池堆的单位千瓦成本)和容量成本(电解液成本)。

与传统的二次电池储能不同，以全钒液流电池为代表的液流电池，由于其具有功率和容量相互独立的特点，一定功率条件下储能时间越长，越有利于系统的初始投资成本降低(在功率条件不变条件下，增加电解液即增加了容量，故长时储能有利于摊薄度电建设成本)。

功率成本会随着电池堆结构技术水平提高而下降(以工作电流密度为标志，当前电池堆产品的工作电流密度基本在150～200 mA/cm2)，几年后电池堆产品的工作电流密度可能达到或超过300 mA/cm2，功率成本下降至少30%～50%。若将材料及其成本降低考虑在内，功率成本下降幅度会更大。

容量成本与钒的开采和电解液制造均有关，把两者融合为一的思路——电解液的短流程制备技术已取得突破，使电解液制造成本相对于传统的长流程(提钒+制电解液)降低超过30%。如果实施融资租赁的商业模式，电解液在储能系统初始投资中的比例将进一步明显下降。

在当前技术状态和产业环境下，全钒液流电池储能系统的建设成本(直流侧，储能时间不低于4 h)已接近3000 元/kWh，甚至有企业可以做到2000～3000 元/kWh；在不久的将来(例如2年后)，有望低于2000 元/kWh，与抽水蓄能处于相似的量级上。

8 总结与展望

1)全钒液流电池安全性好(本征安全)，技术特性适合于大规模和长时间储能，与传统的抽水蓄能等在储能规模、时长、建造条件和灵活性等方面具有明显的互补性或差异性，作为一种现实可用和可靠的储能技术，在支撑“双碳”战略实施上具有不可替代性。

2)全钒液流电池的技术性能与成本已接近满足大规模产业化、商业化发展的要求，而技术经济性进一步发展的潜力或进步的空间仍很大。

3)全钒液流电池及其储能产业发展没有资源性限制，钒资源足以支撑产业的可持续发展；另外，由于中国钒资源十分丰富，还构成了发展该产业的独特优势。

4)现有钒市场及其特点对于发展基于全钒液流电池的储能产业是不充分和受限的，解决的关键在于对更多钒源(尤其石煤钒)的开发，构建广泛来源的钒资源大市场；电解液及其稳定供应是当前全钒液流电池储能产业启动和发展的瓶颈，也是产业面临的最重要和最紧迫的任务之一。

5)全钒液流电池储能已经呈现了初步产业化发展态势，可以预期，随着“双碳”战略的推进，即将迎来产业蓬勃发展的新时代。