内容来源: 芯能创投Fund
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储能市场爆发已至，全钒液流电池发展提速。目前储能在电力系统中主要用于解决短时间、小范围的供需不平衡，而随着新能源逐步成为电力系统的主体，储能系统需要配套的储能时长亦将随之提升。
全钒液流电池在中长时储能的场景中具备较强的比较优势，近年来海内外锂电池储能安全事故频发，随着储能行业安全标准趋严，全钒液流电池本征安全的优势将进一步凸显。从经济性角度出发，4h全钒液流电池储能系统的全生命周期度电成本或已低于锂电池储能，而当储能时长超过4h之后全钒液流电池的度电成本优势将更为明显。未来全钒液流电池有望成为一类重要的储能装机形式，若按照10%/30%的装机比例测算，则2025/2030年国内全钒液流电池储能装机空间或超10/90GWh。
一、全钒液流电池是目前技术成熟度最高的液流电池技术
液流电池是一种具备较大潜力的电化学储能技术。液流电池概念最早由日本科学家Ashimura和Miyake于1971年提出，1974年NASA科学家L.H.Thaller以FeCl2和CrCl3作为正负极活性物质构建了全球第一款具有实际意义的液流电池模型。与一般的固态电池不同，液流电池的正极和负极以电解质溶液的形式储存于电池外部的储罐中，通过正、负极电解质溶液活性物质发生可逆的氧化还原反应来实现电能和化学能的相互转化。液流电池能量密度相对较低，但在使用寿命、充放电深度、系统容量等方面具有较大优势，因此在大规模储能领域正得到越来越多的关注。
全钒液流电池是目前技术最为成熟、产业化程度最高的液流电池技术。根据电极活性物质的不同，液流电池可分为多种技术路线，其中已有商业化应用的代表体系包括全钒、铁铬、锌溴等。从技术成熟度的角度出发，目前全钒液流电池处于领先位臵，其最早由澳大利亚新南威尔士大学的Skyllas-Kazacos教授及其团队于1985年开创，日本住友电工、加拿大VRB、国内大连化物所等机构从20世纪90年代起相继开始进行产业化的研究，目前国内外均有几十至百MWh级别商业化项目投运。相较而言，铁铬液流电池存在析氢反应和铬离子电化学反应活性不足等问题，锌溴电池的单体容量则相对有限，目前基本处于工程化示范阶段。
二、全钒液流电池具备安全、长寿、灵活等多方面优势
（一）安全性
相较于锂离子电池，全钒液流电池具有更好的安全性。对于锂离子电池而言，一旦电池内部出现短路或工作温度过高，电解液就极易发生分解、气化，进而引发电池燃烧或爆炸，造成极大的安全隐患。而全钒液流电池的电解液为钒离子的酸性水溶液，在常温常压下运行，不存在热失控风险，具有本征安全性。根据实证结果，在理论100%SOC下，即便将正负极电解液直接互混，温度由32℃升至70℃，全钒液流电池系统不会产生燃烧、起火等风险。因此，对于人员密集、规模比较大、安全性要求较高的储能场景，全钒液流电池是一种更为安全可靠的技术。
全钒液流电池更高的安全性使其可以采取更为紧密的排布方式，从而在项目层面减少土地的占用。相较于锂离子电池，全钒液流电池在单体能量密度上存在较大差距，例如大连融科20尺储能集装箱产品TPower的储能容量为0.5MWh，而当前主流锂电池储能集成商的20尺集装箱系统储存容量一般超过3MWh。但是对于大型储能项目，锂离子电池储能系统需要满足更为严格的消防及安全标准，因此在集装箱的排布上必须留出更大的安全距离。
（二）长寿命、低衰减
全钒液流电池循环次数明显优于锂离子电池，且生命周期内容量可完全恢复，生命周期内度电容量可利用率高。一方面，全钒液流电池使用不同价态的钒离子作为电池的活性物质，反应过程仅为钒离子的价态变化，不涉及液固相变，且克服了电解质交叉污染的问题；另一方面，全钒液流电池的在充放电过程中电极材料不参与电化学反应，属于惰性电极，电极和双极板等材料稳定性好，不涉及更换；此外，针对全钒液流电池因电解液在正负极之间的迁移和副反应造成的钒离子价态失衡带来的容量衰减问题，一般可以通过低成本的物理和化学手段进行恢复。因此，全钒液流电池理论上具备极长的循环寿命，而从早期项目的实证情况来看，全钒液流电池长寿命的优点亦得到了充分验证。
（三）灵活性
全钒液流电池功率单元与能量单元相互独立，可根据不同应用场景灵活设计。一套完整的全钒液流电池储能系统主要由功率单元（电堆）、能量单元（电解液和电解液储罐）、电解液输送单元（管路、泵阀、传感器等）、电池管理系统等部分组成，其中功率单元决定系统功率的大小，而能量单元决定系统储能容量的大小，两者相互独立。因此，在系统设计层面，全钒液流电池储能可实现功率和容量分开设计以及储能时长按需定制，电解液储罐既可独立外臵，亦可与电堆共同集成至一体化的集装箱产品，整体的方案设计更为灵活。从成本的角度来看，对于固定功率的全钒液流电池储能系统，储能时长越长则功率单元的单位投资成本越低，进而整体系统的单位投资成本越低，因此全钒液流电池更适用于中长时储能场景。
（四）资源储量丰富且自主可控
钒是地球上广泛分布的微量元素之一，储量相对丰富。根据美国地质调查局（USGS）的统计，目前全球钒储量（本段均以钒金属当量计）超过6300万吨，2021年底可开发的资源储量约为2400万吨，当年的全球产量则约为11万吨，其中90%左右以钒合金的形式用于钢铁行业。按当前的技术水平，1GWh的全钒液流电池所需的钒金属用量不到0.5万吨，且钒电解液可长期循环使用，因此整体来看我们认为全球的钒资源储量可充分支撑全钒液流电池的大规模发展。
（五）绿色环保、资源可循环利用
全钒液流电池在运行过程中不涉及污染与排放，且电解液可循环利用，是一种绿色环保的储能形式。全钒液流电池中钒元素以离子形式存在于酸性水系溶液中，而不是以钒的氧化物形式存在（如五氧化二钒），有一定的腐蚀性但无毒性，且工作过程中封闭运行，对环境与人体基本不会产生危害。此外，从全生命周期的角度来看，锂电池储能系统在寿命到期后各类材料的回收处理难度较大，而全钒液流电池的钒电解液可在电池领域长期循环使用或进行钒提取进入钢铁、合金等其他市场领域，电堆关键部件（如碳电极、双极板、离子交换膜等）以及管路、阀泵等的处理也更为简单，无环境负担，所以无论是从回收成本角度还是污染排放角度均优于锂电池。根据根特大学的研究，在钒电解液50%回收的条件下，全钒液流电池在陆地酸化、人体毒性、细颗粒物形成、矿产资源消耗、化石能源消耗等方面的环境影响几乎全面低于锂离子电池。
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