新能源发展的一大主线就是技能进步。正由于云云，我们的研究陈诉，迄今从三元电池、磷酸铁锂电池、4680电池，到氢燃料电池，再到钠离子电池，根本做到了全域覆盖。锂、氢、钠三大类电池玩家已经相对清楚：差别范例的电池互为增补，共同推动着新能源革命大潮。

不外近来突然冒出了新玩家——钒电池，令不少投资者措手不及。

一是各人此前都没怎么听到过钒电池的消息，更不确定A股有没有纯正标的；二来，“凭空出现”的钒电池，跟“氢、锂、钠”都不是同族元素。新能源真是越来越卷，炒化学元素周期表都变成了随机游走。难怪各人挖苦：“投资新能源还必要问问门捷列夫是怎么想的。”

不停以来，在新能源这条大赛道上，各人的投资视角始终围绕着“氢、锂、钠”：氢燃料电池什么时间规模化量产；特斯拉4680电池要来了、麒麟电池来岁要上量；宁德期间发布钠离子电池。对于这生疏的钒电池，姑且算他是“黑科技”吧，等这波热度已往就好了。

实在否则，自19世纪60年代后期开始的第二次工业革命将人类带进电气期间以来，电力在人类社会变得不可或缺，而电池技能的发展也深度融入到汗青进程当中。现在进入到能源革命期间，电池技能的研发和创新更是成为能源转型的胜败手。

本文作为的新能源系列篇，也是钒电池的开篇，将携手“氢、锂、钠”，熟悉钒电池的宿世、今生和将来。

01钒电池是什么来路？

1.工作原理

钒电池，全称为全钒氧化还原液流电池。乍一看这长串的名字，是不是有点懵。别发急，我们按次序一个个拆解。

第一，所谓全钒，按照字面意思明白，是由于电池的正负极都是钒。作为类比，磷酸铁锂电池正极是磷酸铁锂，负极是石墨；铅酸电池的正极是二氧化铅，负极为铅。

第二，氧化还原，这点各人好明白，即电池的根本原理。氧化还原反应的过程有电子得失，电子的移动就形成了电流。

第三，之以是叫液流电池，是由于正、负极均为液体。可以想象成正负极和电解液“合体”了，电池能量直接存储在液态的电解质中。固然，有“合”就有“分”，钒电池的电解液和电堆是分开的。

为了方便明白，我们回首下锂电池。锂电池的正负极之间是充满电解液，通过隔膜分开，电池能量紧张储存在固体的电极质料中。这也是钒电池和锂电池最大的区别。

接着再看钒电池的工作过程。我们所熟悉的“摇椅式”锂电池的工作原理是锂离子在摇椅的两端（正极和负极）往返疾驰，即完成了充放电的过程。而钒电池并不“存在”正负极，不必要跑远了，只用在自家门前跑——正负极电解液各自按照既定门路流向电堆即完成充放电的过程。

图：全钒液流电池工作原理表示图；资料泉源：百度，锦缎研究院整理绘制

2.钒电池结构特点

由于钒电池的电解液和电堆是相互独立的，电解液单独存放在外部的储罐中，别的由于电解液是无法单独流向电堆的，必要通过外部的泵和管路运送内部。

以是肉眼可见，钒电池就是个大块头。举个不是特殊适当的例子，假如锂电池是手机，那么钒电池就是座机。

常见的钒电池紧张由两个装电解液的储罐、电堆、循环泵和管路构成。假如把储罐比作汽车的油箱，电堆就是发动机，储罐中的电解液通过循环泵不绝运送到电堆内，电堆则负责充放电。

钒电池的另一大特点是筹划机动，可以按需组合、定制。你差别纠结大杯、中杯，还是超大杯。

睁开来讲，钒电池的功率单元和容量单元是相互独立的“解耦筹划”，储罐中的电解质决定电池容量，电堆的巨细和数目决定电池的输出功率。也就是说，要增长电池容量，就相应增长电解液储罐数目；要进步输出功率，只要增长电堆的数目就可实现。是不是很像火车的筹划？你想多拉搭客，就增长车厢数目；你想加大马力，那就换上大功率的火车头。

以融科储能的钒电池储能体系为例，功率250kW的钒电池体系由功率集装箱（20尺）、2个外置储罐、电池管理体系及管路等辅件构成。假如必要500kW的钒电池体系怎么办呢？将2个功率集装箱串联后，增长2个外置储罐，接入一台500kW变流器，即可实现。

以此类推，钒电池可以组合成更大规模电池组，其输出功率可达数百兆瓦，可以存放数十万度电。看到这里，是不是以为钒电池也并不是“一无可取”。

图： 融科储能500KW钒电池储能体系；资料泉源：融科储能官网

3.钒电池的运行上风

1)安全性好

钒电池利用的正、负极电解液均为极不易燃的无机水溶液（反面章节会重点先容），有多安全呢？纵然正、负极电解液不测发生混淆也不消担心。各人都是钒离子家属（ 正极电解液为5价钒和4价钒，负极电解液为3价钒和2价钒 ），不大概“大打脱手”的。

那有人要问了，电池运行过程中温度过高怎么办？确实，和锂电池、钠离子电池等一样，钒电池在充放电过程中也会在产生热量。不外钒电池在充放电过程中，电解液是循环活动的，电堆内部产生的热量很轻易就可以通过运送管路上的热交换器散热。

正因云云，钒电池的热管理体系本钱也低，筹划和维护方便。一样平常采取直冷或空冷的方式举行热管理，雷同汽车发动机舱内的冷却体系。当电解液温度上升到肯定水平时，冷却体系即启动，从而保持电池体系运行在最高效的温度区间。

2)电池划一性好

对于单个电池，好比手机内置电池或两轮电动车，不消过多思量电池均一性，但假如是大量电池串联构成的电池包体系，电池划一性可就成为紧张指标。

一样平常情况，一辆利用方形电池包的电动车上有一百多个电芯，而特斯拉用的圆柱电池更是有上千个电芯。随着电池充放电的运行，单个电池的内阻、荷电状态、温度等均会发生差别水平的变革，导致差异性徐徐变大，使得电池体系安全、可靠运行风险增大。以是锂电池企业也在制造过程不绝进步电池在出厂时的划一性。

对于钒电池，电解质溶液始终是循环活动的，正负极电解液从各自的储罐容器中抽出，末了进入到电堆时天然具有雷同的状态，天生就具备不错的划一性。

3)利用寿命长

先直接抛出结论，钒电池很长寿。具体是怎么实现的呢？由于钒电池的电解液在充放电时不像别的多数电池一样发生物相变革（ 注：不会天生新的物质，始终都是钒离子，只不外是差别价态 ），电池容量的消耗就很少，以是钒电池的寿命每每能高出十年。

期间当电池利用较长时间，其性能降落之后，可以通过修复电解液活性来规复肯定的性能。假如末了钒电池体系寿命到期，电解液还是不会浪费，既可以应用到新的电池体系中，也可以作为钒资源举行提纯加工，终极实现电解液的循环利用。

图：钒电池电解液的综合利用表示图；资料泉源：融科储能官网

02已有“氢、锂、钠”，钒电池作何之用？

行文至此，各人已经熟悉钒电池的特点——安全性高、循环寿命长、轻易扩容、对情况友爱。可在我们一样平常生存当中，却险些见不到钒电池的身影。

究其根本，钒电池短板同样也显着——体积大、能量密度低，尚有本钱高。

尤其是电解液和电堆分离筹划导致的占地面积大确实是硬伤。光论这一点，显然跟我们的一样平常利用场景格格不入：手机、家用电器等对电池的要求是体积越小越好，就连电动大巴车的底盘里也巴不得能多装进一块电池。

为什么能量密度低呢？实在这是由“身世”决定的。钒电池的电解液是储存在罐子中，占地空间已经不小了，同时还必要用泵来维持电解液的活动，这也造成不少的能量消耗，现在钒电池的能量转化服从为70-75%，大幅低于锂电池（ 90% ）。同时，钒离子的溶解度较低，正负极的电解液无法到达理想中的高浓度。

终极，以上因素叠加导致钒电池的能量密度低的有点上不了台面，仅为12-40Wh/kg。这是什么概念？比由于粗笨而饱受诟病的铅酸电池的能量密度还低。

假如和锂电池相比，要存一样的电，钒电池的体积一样平常要大5倍以上。以是，我们也很容可以得出结论：智能手机、便携家用电器等消耗品根本不是钒电池的“菜”。那些想蹭一波热门，以为钒电池要撼动锂电池职位的想法显然是单方面的，究竟他们压根就不在同一条跑道上。

接着再来看看本钱。钒电池初装本钱较高可以说是钒电池最大的缺点，也是制约行业发展的一大痛点。现在钒电池代价仍然是锂离子电池的2倍以上，跟成熟的铅酸电池相比更是没有代价上风。

图：国内部分钒电池项目信息及本钱盘算；资料泉源：北极星储能网，光大证券

到这里，想必有不少人看不下去了，既然钒电池体积大、能量密度低的标题根本无解，大部分利用场景被拒之门外。为什么资源市场还要把钒电池拿到台面上讲，岂非真的是爆炒一波？

中国有句名言：尺有所短，寸有所长。相比锂电池如许轻巧机动的“移动硬盘”，钒电池更像是大容量“硬盘”。钒电池有着大规模、高安全、长寿命的技能上风，可以大概在大规模、大容量的场景发挥比力上风，最典范的应用场景就是配套风电、光伏的储能。

对于本钱方面，我们的看法是，现阶段钒电池确实是比锂电池贵不少。但看一个技能的远景，也要看它将来的本钱降落空间，可否靠技能改进和规模化来驱动。客观的讲，已往锂电池也同样遇到本钱高的标题。尚有现在钠离子电池和氢燃料电池也一样面临本钱高的标题。

图：宁德期间动力电池本钱随着大规模化生产和技能进步后快速降落；资料泉源：宁德期间年报，国泰君安证券

回首汗青，钒电池技能的研究、开辟与应用起始于上世纪80年代，早在1988年，澳大利亚新南威尔士大学就开辟出1kW的钒电池体系。可以说，钒电池是和锂电池、燃料电池等同一期间的技能。不外厥后锂电池在1991年贸易化后依附能量密度高、体积小的特点率先出圈，之后一起扶摇而上。而钒电池由于应用场景受限，不停都比力冷门。

说到底，已往我们不停必要的是更轻巧，能量密度更高的电池，压根没有多少场景必要大容量电池，以是钒电池的长板毫无用武之地。但是随着能源革命的举行，可再生能源电力的增多，我们对大容量存储的需求越来越高，钒电池重新回到赛道，是符合客观规律的。

和手机、电动车差别，储能电站对能量密度和占地面积没有过多的要求。相较而言，储能电站更看重电池寿命、安全性和利用本钱。好比占据储能最大份额的抽水蓄能电站，其寿命一样平常都长达20年以致50年以上。在本年6月国家能源局克日发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求（ 征求意见稿 ）》中提出，中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池。

究竟上，近来几年，钒电池在国内受到越来越广泛的器重。从事钒电池储能技能研究和产业发展的机构徐徐增多，包罗：中科院大连化物所、大连融科储能公司、北京普能、武汉南瑞等。此中，大连化物所和融科储能公司在底子研发、产物筹划、技能应用及产业化进程方面已经走在了天下火线。

也就是说，被扫进垃圾堆的钒电池不测搭上了储能的快车。

本年5月，在辽宁大连，一座超大型的钒电池储能电站迎来了并网投运。该电站为“大连液流电池储能调峰电站国家树模项目”的一期项目，已经投入的716个灰白色电解液储罐可储存400兆瓦时电量，即40万度电，可以供应近2000个家庭利用一个月。现在是环球最大的液流电池储电站，被称为“储能之王”，到二期项目全部投运后，储电本领还能翻一倍，到80万度电。乐观点说，钒电池技能的规模化应用已经进入快车道。

图：钒电池发展进程； 资料泉源：大连融科，北京普能，申万宏源

话说返来，电池的三个指标：能量密度、安全、寿命，就如经济学里的“不大概三角”，天下上很难有绝对美满的电池。以是我们万万不能“捡了西瓜丢芝麻”，而要根据各个产物的特性，用其所长，做到物尽其用。

从电池质料资源角度讲，有了锂电池，我们还必要想办法用好氢燃料电池、钠离子电池和钒电池。如许电池企业也不必要扎堆在一种质料上面，为原质料涨价而苦恼。据USGS统计，制止2021年底，环球已认定符合当前采掘和生产要求的钒矿储量高出2400万吨，此中，中国钒矿储量约为950万，占比39.6%，位居天下第一。跟钠离子一样，钒电池也不消担心被原质料“卡脖子”。

03可否和锂电池、燃料电池、钠电池并肩起舞？

现阶段，业内已经充实承认钒电池的大容量存储本领和安全性。这可以归功于钒电池的天赋上风。但将来要想和锂电池们一起共舞，还必要后天不懈积极。（ 实在同样具有天赋上风的燃料电池和钠离子电池也是相似的发展逻辑 ）

接下来，整个钒电池产业链还要加快速率发展，在电池关键质料研究与开辟、电堆筹划与制造、体系集成技能等方面更进一步。

图：钒电池上游构成；资料泉源：《钒液流电池电解液研究综述》，国海证券

1.电解液

电解液不光是钒电池的紧张部分也是本钱的大头，占钒电池总本钱比例约40%。换言之，电解液本钱可否降下来成为钒电池降本的关键。

对于钒资源，我国不光储量第一，产量也是环球第一，占比高达68%，资源可完全自给。这是国内发展钒电池得天独厚的上风。当前国内的钒资源企业紧张有攀钢钒钛、河钢承钢、安宁股份、西部矿业等。此中攀钢钒钛也是环球产能规模最大的企业。

随着钒电池需求量的提升，攀钢钒钛、河钢股份等钒资源企业正积极投向电解液生产环节，将钒资源上风和电池企业的研发本领联合，形成产业协同效应，可以加快电解液的产业规模化发展。

图：国内紧张钒资源企业；资料泉源：光大证券

其次，前文已经提到钒电池电解液是可以循环利用，假如可以大概促成制造-利用-采取的产业闭环，进一步进步电解液的残值，那么钒电池全生命周期内的本钱将大幅低沉。同时，通过开展电解液租赁等贸易模式创新，也可低沉钒电池的初始投资源钱，假如该模式可以大概走通反过来又可以促进钒电池的规模化发展。

末了，进步钒电池的能量密度也就意味着低沉了电池本钱。由于钒离子在电解液中的溶解度本身就不高，极大制约了电池的能量密度，而且温度过高，钒离子的溶解度也会受到影响。不停以来，钒电池企业不绝研究，致力于进步电解液中钒离子的浓度，并同步改善高温下稳固性。现在电解液正从传统硫酸基质向盐酸基质等新配方升级迭代，其钒离子浓度和工作温区都有显着改善。

可以预见的是，随着技能进步和装机量的增长，以及电解液贸易模式的美满，钒电池的本钱有望更快进入“平价区间”。

图：钒电池本钱构成； 资料泉源：IRENA，锦缎研究院整理

2.离子交换膜

电堆是本钱占比仅次于电解液的部件，占总本钱比例约35%。此中，离子交换膜是电堆内部的焦点部件，不光直接影响到电池性能，也是决定电堆本钱可否快速降落的关键质料。

不外现在离子交换膜的国产化率还比力低，不停以来，国内钒电池企业紧张利用的是美国杜邦生产的全氟烃膜（ Nafion ）。（ 关键性的熔融挤出压延成型技能恒久为国外企业把持 ）

然而，固然Nafion膜具备优秀的性能，是电堆的首选质料，但是代价过于昂贵。浮夸点说，Nafion膜已经制约着钒电池的发展。因此，实现杜邦Nafion膜的“平替”，完成国产化是低沉钒电池本钱、推动规模化应用的有效战略。

当前国内的全氟烃膜生产企业紧张有东岳团体和江苏科润，已经在国产替换方面已经取得肯定结果。与此同时，大连化物所的非氟多孔离子传导膜的研究上也取得突破性希望，量产之后可以有效低沉电堆本钱。（ 限于篇幅，其他质料和体系等不做睁开 ）

化学的天下充满无穷大概，多种电池技能已经到了百家争鸣的期间。站在能源革命的视角，差别电池技能没有“颠覆”、“撼动”一说，有的只是“互补”、“共生”。渴望锂电池、燃料电池、钠电池、钒电池“共舞”的场景早日到来。