三好學(xué)生釩電池來了
釩鈦磁鐵礦巖磨粉機(jī)HLM礦石立磨
隨著科技的發(fā)展，太陽能、風(fēng)能、潮汐能等可再生能源已經(jīng)成功應(yīng)用于發(fā)電設(shè)施，使得產(chǎn)能形式更加豐富。但是，這些可再生能源受天氣環(huán)境影響，具有間歇不連續(xù)、波動(dòng)性較大等缺點(diǎn)，惡化了配電網(wǎng)的電能質(zhì)量和可靠性。因此，需要在可再生能源系統(tǒng)中配備儲(chǔ)能設(shè)備，將可再生能源電力轉(zhuǎn)換成可儲(chǔ)存的能源，然后以可控的方式部署到電網(wǎng)中，根據(jù)不斷變化的電網(wǎng)需求，對(duì)電力進(jìn)行一致的、即時(shí)的供應(yīng)。儲(chǔ)能設(shè)備能夠提高可再生能源利用效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的“調(diào)峰填谷”，充分發(fā)揮可再生能源的優(yōu)勢。
目前，不同的儲(chǔ)能設(shè)備根據(jù)適用性要求，在各自的領(lǐng)域已得到應(yīng)用。中國科學(xué)院電工研究所研究員、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)副秘書長陳永翀認(rèn)為，“安全是電化學(xué)儲(chǔ)能首要因素，電化學(xué)儲(chǔ)能的規(guī)模發(fā)展需要‘三好學(xué)生’，未來具有‘高安全、低成本和易回收’特性的儲(chǔ)能專用電池將會(huì)獲得大規(guī)模應(yīng)用”。
釩電池以安全、超長循環(huán)次數(shù)、可回收等特性成為電化學(xué)儲(chǔ)能新風(fēng)向，其非凡的發(fā)展?jié)摿ξ速Y本市場的目光。
釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（圖源：格瑞帕洛孚）
釩電池工作原理
釩電池由Skyllas-Kazacos等在1985年提出，結(jié)構(gòu)上主要由電解液、電極、選擇性質(zhì)子交換膜、雙極板和集流體組成，結(jié)構(gòu)示意圖見下圖。
釩電池結(jié)構(gòu)示意圖（圖源：羅麗娟等，《綜合能源服務(wù)用釩電池儲(chǔ)能》）
釩電池利用VO2+/VO2+、V2+/V3+兩對(duì)氧化還原電堆的釩離子溶液作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自的電解液儲(chǔ)罐中。對(duì)電池進(jìn)行充/放電時(shí)，電解液通過泵的作用，由外部儲(chǔ)液罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負(fù)極室，并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充/放電。
充電時(shí)，正負(fù)極電解液伴隨著外部電流進(jìn)入電堆，釩離子價(jià)態(tài)發(fā)生改變（負(fù)極釩離子價(jià)態(tài)由三價(jià)轉(zhuǎn)變成二價(jià)，正極釩離子由四價(jià)轉(zhuǎn)變成五價(jià)），正負(fù)極之間的電勢差增大，外部電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來。
放電時(shí)，所儲(chǔ)存的化學(xué)能通過相反的反應(yīng)在電堆里轉(zhuǎn)換為電能釋放出來。儲(chǔ)能電量的多少取決于電解液的體積和濃度，電解液的濃度越高、體積越大，儲(chǔ)存的電能越多。放電所帶負(fù)載的大小由電堆功率決定，電堆功率越大，充電越多，放電所帶最大負(fù)載也越大。
釩電池特點(diǎn)
（1）配置靈活。釩電池設(shè)計(jì)靈活，功率和容量獨(dú)立設(shè)計(jì)。電池的輸出功率由電堆大小決定，增加單電池?cái)?shù)量和有效面積，即可增加電堆功率；電池的容量大小由電解液的量決定，增加電解液的體積和濃度，即可增加電池容量；可根據(jù)各種應(yīng)用場所和領(lǐng)域的負(fù)載大小進(jìn)行功率和容量的調(diào)節(jié)。
（2）循環(huán)壽命長。循環(huán)次數(shù)≥13000次以上，使用壽命可達(dá)20年以上。
（3）安全性高。系統(tǒng)在常溫下運(yùn)行，無爆炸、起火等危險(xiǎn)，備有防漏裝置，避免發(fā)生電解液泄漏。
（4）深充深放。系統(tǒng)深充深放不會(huì)對(duì)電池性能造成影響，系統(tǒng)放電深度（DOD）≥90%。在快速、大電流密度下充放電，不會(huì)對(duì)電池造成損傷。
（5）環(huán)境友好。電解液均為液體，能無限次循環(huán)使用，且電解液可回收利用，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染；電堆材料中電極采用炭/石墨氈，雙極板大多采用石墨或碳材料，報(bào)廢后不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。其他材料多為高分子材料，可回收利用。
但是，目前釩電池的發(fā)展還面臨著一些問題，如能量密度低，成本居高不下，行業(yè)仍處在示范到商業(yè)化的前期，供應(yīng)鏈不成熟，市場仍處在開發(fā)階段。
釩電池發(fā)展優(yōu)勢
（1）資源方面
釩具有天然的耐腐蝕性，能在堿、酸和鹽溶液中穩(wěn)定存在，其常伴生或共生存在于鈦磁鐵礦、磷礦、煤矸石、鋁土礦、油頁巖、閃鋅礦、玫瑰鉛礦和銅礦等60多種礦物中，極少以單一礦物存在。在這些礦物中，釩的含量一般低于2%。
美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）數(shù)據(jù)顯示，截至2021年底，全球釩金屬儲(chǔ)量6300萬噸，其中釩礦金屬釩儲(chǔ)量（已認(rèn)定的釩資源中符合當(dāng)前采掘和生產(chǎn)要求的部分）約為2217萬噸。其中，中國釩礦儲(chǔ)量約950萬噸，占比39%，位居第一；2~4位的澳大利亞、俄羅斯和南非儲(chǔ)量占比分別為25%、21%和15%。
產(chǎn)量方面，2021年全球釩產(chǎn)量10.7萬金屬噸，中國產(chǎn)量為7.3萬噸，占比68%，資源可完全自給；俄羅斯、南非和巴西的產(chǎn)量占比分別為18%、8%和6%。
2021年全球探明釩資源分布情況（單位：萬噸）（圖源：魏甲明等，《全釩液流電池技術(shù)研究進(jìn)展》）
（2）政策方面
2021年7月，國家發(fā)展與改革委員會(huì)和國家能源局發(fā)布《加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，文件提出要堅(jiān)持儲(chǔ)能技術(shù)多元化，實(shí)現(xiàn)液流電池等長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期；2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)液流電池等長時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展初期。
2022年3月，國家發(fā)展與改革委員會(huì)、國家能源局印發(fā)《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，文件中要求形成技術(shù)示范、加大液流電池等關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)力度，最終在2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和2060年的碳中和的雙碳政策目標(biāo)。
2022年6月，國家能源局發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2022年版）（征求意見稿）》，提出“中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動(dòng)力電池”。該項(xiàng)政策，為釩電池的應(yīng)用打開了想象空間。
釩電池發(fā)展前景
國際權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)麥肯錫將儲(chǔ)能技術(shù)定位為影響未來世界發(fā)展的12項(xiàng)顛覆性技術(shù)之一。國際能源署（IEA）預(yù)計(jì)，到2050年全球儲(chǔ)能市場規(guī)模將達(dá)數(shù)萬億美元。釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著新能源和儲(chǔ)能的大規(guī)模應(yīng)用而不斷發(fā)展和進(jìn)步，市場潛力和市場份額進(jìn)一步的提升。
研究機(jī)構(gòu)EVTank近日發(fā)布的《中國釩電池行業(yè)發(fā)展白皮書（2022年）》顯示，2022年國內(nèi)大量的釩電池儲(chǔ)能項(xiàng)目開工建設(shè)，預(yù)計(jì)全年新增裝機(jī)量將達(dá)到0.6GW；2025年釩電池新增規(guī)模將達(dá)到2.3GW；2030年新增規(guī)模將達(dá)到4.5GW，屆時(shí)，釩電池儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)到24GW。
英國IDTechEx公司報(bào)告認(rèn)為，面向儲(chǔ)能市場的釩液流電池到2031年前后或?qū)⒃谘b機(jī)容量上超過鋰離子電池。
釩電池企業(yè)布局
在政策推動(dòng)和技術(shù)進(jìn)步雙重作用下，釩電池脫穎而出，成為近期市場資金競相追捧的“香餑餑”，多家上市公司早已布局，搶占未來賽道。
（1）攀鋼釩鈦
攀鋼釩鈦在2021年釩業(yè)務(wù)營收達(dá)45億元，占總營收1/3。同年，該公司收購“西昌釩制品”來擴(kuò)大釩制品產(chǎn)能，并同大連博融簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，謀劃布局釩電池產(chǎn)業(yè)鏈。雖然該公司很早就開始生產(chǎn)釩電池電解液，不過目前尚未涉足釩電池業(yè)務(wù)。
（2）中核鈦白
中核鈦白今年7月初發(fā)布公告稱，公司與偉力得簽署了《全釩液流電池儲(chǔ)能全產(chǎn)業(yè)鏈》戰(zhàn)略合作協(xié)議，雙方將出資設(shè)立甘肅澤通偉力得釩材料有限公司，共同推進(jìn)釩礦資源的開發(fā)、釩電解液的制造及相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)的項(xiàng)目落地。合資公司將通過控制釩礦來源，以及應(yīng)用尖端技術(shù)將低品位的釩原料進(jìn)行提取，從而降低釩電解液價(jià)格。
（3）龍佰集團(tuán)
龍佰集團(tuán)表示，旗下的電池材料研究所有進(jìn)行釩電池相關(guān)的研究，不過未進(jìn)入量產(chǎn)階段。目前，公司有一條產(chǎn)能800噸/年的廢酸提取五氧化二釩產(chǎn)線，此外，全資子公司龍佰四川礦冶有限公司擬25億元投資建設(shè)釩鈦鐵精礦堿性球團(tuán)濕法工藝年產(chǎn)3萬噸V2O5創(chuàng)新示范工程。該項(xiàng)目的投資有利于公司充分利用攀枝花釩鈦磁鐵礦中的釩資源，提高資源綜合利用水平。同時(shí)，公司電池材料研究所正在進(jìn)行釩電池技術(shù)研發(fā)，儲(chǔ)備相關(guān)技術(shù)，未來公司將根據(jù)釩電池市場情況，積極推動(dòng)釩電池材料產(chǎn)業(yè)化。
（4）上海電氣
上海電氣釩電池業(yè)務(wù)已有10年基礎(chǔ)，最早的研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立于2011年，相關(guān)產(chǎn)線于2020年建成。目前，其全釩液流電池儲(chǔ)能系列產(chǎn)品，已經(jīng)完成了從研發(fā)設(shè)計(jì)、平臺(tái)測試，到生產(chǎn)制造和規(guī)?；瘧?yīng)用的“三步走”。上海電氣方面表示，其目前有3GW的釩電池訂單在手，汕頭已建成的零碳園區(qū)儲(chǔ)能項(xiàng)目使用的即為公司生產(chǎn)的釩電池。并且，公司在釩電池相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)領(lǐng)域也具備一定競爭優(yōu)勢。
（5）河鋼股份
河鋼股份目前已擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的釩電解液用高純氧化釩、全釩液流電池電解液技術(shù)，并建成1000噸/年高純釩產(chǎn)線、1000噸/年釩電解液產(chǎn)線，產(chǎn)品質(zhì)量得到國內(nèi)外頂級(jí)釩電池廠家的認(rèn)證，并應(yīng)用于部分光伏—釩儲(chǔ)能系統(tǒng)。
（6）海德股份
今年4月份，海德股份與中釩儲(chǔ)能和中國科技簽署《全釩液流儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)合作協(xié)議》，擬共同出資設(shè)立全釩液流儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)開發(fā)公司，推進(jìn)釩電解液生產(chǎn)、全釩液儲(chǔ)能電站建設(shè)等全釩液流儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目開發(fā)。