新能源發(fā)展的一大主線就是技術進步。正因為如此，我們的研究報告，迄今從三元電池、磷酸鐵鋰電池、4680電池，到氫燃料電池，再到鈉離子電池，基本做到了全域覆蓋。鋰、氫、鈉三大類電池玩家已經相對清晰：不同類型的電池互為補充，共同推動著新能源革命大潮。
不過最近突然冒出了新玩家——釩電池，令不少投資者措手不及。
一是大家此前都沒怎么聽到過釩電池的消息，更不確定A股有沒有純正標的；二來，“憑空出現(xiàn)”的釩電池，跟“氫、鋰、鈉”都不是同族元素。新能源真是越來越卷，炒化學元素周期表都變成了隨機游走。難怪大家調侃：“投資新能源還需要問問門捷列夫是怎么想的。”
一直以來，在新能源這條大賽道上，大家的投資視角始終圍繞著“氫、鋰、鈉”：氫燃料電池什么時候規(guī)?；慨a；特斯拉4680電池要來了、麒麟電池明年要上量；寧德時代發(fā)布鈉離子電池。對于這陌生的釩電池，姑且算他是“黑科技”吧，等這波熱度過去就好了。
其實不然，自19世紀60年代后期開始的第二次工業(yè)革命將人類帶進電氣時代以來，電力在人類社會變得不可或缺，而電池技術的發(fā)展也深度融入到歷史進程當中。如今進入到能源革命時代，電池技術的研發(fā)和創(chuàng)新更是成為能源轉型的勝負手。
本文作為的新能源系列篇，也是釩電池的開篇，將攜手“氫、鋰、鈉”，認識釩電池的前世、今生和未來。
01
釩電池是什么來路？
1.工作原理
釩電池，全稱為全釩氧化還原液流電池。乍一看這長串的名字，是不是有點懵。別著急，我們按順序一個個拆解。
第一，所謂全釩，按照字面意思理解，是因為電池的正負極都是釩。作為類比，磷酸鐵鋰電池正極是磷酸鐵鋰，負極是石墨；鉛酸電池的正極是二氧化鉛，負極為鉛。
第二，氧化還原，這點大家好理解，即電池的基本原理。氧化還原反應的過程有電子得失，電子的移動就形成了電流。
第三，之所以叫液流電池，是因為正、負極均為液體?？梢韵胂蟪烧摌O和電解液“合體”了，電池能量直接存儲在液態(tài)的電解質中。當然，有“合”就有“分”，釩電池的電解液和電堆是分開的。
為了方便理解，我們回顧下鋰電池。鋰電池的正負極之間是充滿電解液，通過隔膜分開，電池能量主要儲存在固體的電極材料中。這也是釩電池和鋰電池最大的區(qū)別。
接著再看釩電池的工作過程。我們所熟悉的“搖椅式”鋰電池的工作原理是鋰離子在搖椅的兩端（正極和負極）來回奔跑，即完成了充放電的過程。而釩電池并不“存在”正負極，不需要跑遠了，只用在自家門前跑——正負極電解液各自按照既定路線流向電堆即完成充放電的過程。
2.釩電池結構特點
因為釩電池的電解液和電堆是相互獨立的，電解液單獨存放在外部的儲罐中，另外由于電解液是無法單獨流向電堆的，需要通過外部的泵和管路輸送內部。
所以肉眼可見，釩電池就是個大塊頭。舉個不是特別恰當?shù)睦?，如果鋰電池是手機，那么釩電池就是座機。
常見的釩電池主要由兩個裝電解液的儲罐、電堆、循環(huán)泵和管路組成。如果把儲罐比作汽車的油箱，電堆就是發(fā)動機，儲罐中的電解液通過循環(huán)泵不斷輸送到電堆內，電堆則負責充放電。
釩電池的另一大特點是設計靈活，可以按需組合、定制。你不同糾結大杯、中杯，還是超大杯。
展開來講，釩電池的功率單元和容量單元是相互獨立的“解耦設計”，儲罐中的電解質決定電池容量，電堆的大小和數(shù)量決定電池的輸出功率。也就是說，要增加電池容量，就相應增加電解液儲罐數(shù)量；要提高輸出功率，只要增加電堆的數(shù)量就可實現(xiàn)。是不是很像火車的設計？你想多拉乘客，就增加車廂數(shù)量；你想加大馬力，那就換上大功率的火車頭。
以融科儲能的釩電池儲能系統(tǒng)為例，功率250kW的釩電池系統(tǒng)由功率集裝箱（20尺）、2個外置儲罐、電池管理系統(tǒng)及管路等輔件構成。如果需要500kW的釩電池系統(tǒng)怎么辦呢？將2個功率集裝箱串聯(lián)后，增加2個外置儲罐，接入一臺500kW變流器，即可實現(xiàn)。
以此類推，釩電池可以組合成更大規(guī)模電池組，其輸出功率可達數(shù)百兆瓦，可以存放數(shù)十萬度電?？吹竭@里，是不是覺得釩電池也并不是“一無是處”。
3.釩電池的運行優(yōu)勢
1)安全性好
釩電池使用的正、負極電解液均為極不易燃的無機水溶液（后面章節(jié)會重點介紹），有多安全呢？即使正、負極電解液意外發(fā)生混合也不用擔心。大家都是釩離子家族（正極電解液為5價釩和4價釩，負極電解液為3價釩和2價釩），不可能“大打出手”的。
那有人要問了，電池運行過程中溫度過高怎么辦？確實，和鋰電池、鈉離子電池等一樣，釩電池在充放電過程中也會在產生熱量。不過釩電池在充放電過程中，電解液是循環(huán)流動的，電堆內部產生的熱量很容易就可以通過輸送管路上的熱交換器散熱。
正因如此，釩電池的熱管理系統(tǒng)成本也低，設計和維護方便。一般采取直冷或空冷的方式進行熱管理，類似汽車發(fā)動機艙內的冷卻系統(tǒng)。當電解液溫度上升到一定程度時，冷卻系統(tǒng)即啟動，從而保持電池系統(tǒng)運行在最高效的溫度區(qū)間。
2)電池一致性好
對于單個電池，比如手機內置電池或兩輪電動車，不用過多考慮電池均一性，但如果是大量電池串聯(lián)組成的電池包系統(tǒng)，電池一致性可就成為重要指標。
一般情況，一輛使用方形電池包的電動車上有一百多個電芯，而特斯拉用的圓柱電池更是有上千個電芯。隨著電池充放電的運行，單個電池的內阻、荷電狀態(tài)、溫度等均會發(fā)生不同程度的變化，導致差異性逐漸變大，使得電池系統(tǒng)安全、可靠運行風險增大。所以鋰電池企業(yè)也在制造過程不斷提高電池在出廠時的一致性。
對于釩電池，電解質溶液始終是循環(huán)流動的，正負極電解液從各自的儲罐容器中抽出，最后進入到電堆時自然具有相同的狀態(tài)，天生就具備不錯的一致性。
3)使用壽命長
先直接拋出結論，釩電池很長壽。具體是怎么實現(xiàn)的呢？因為釩電池的電解液在充放電時不像其它多數(shù)電池一樣發(fā)生物相變化（注：不會生成新的物質，始終都是釩離子，只不過是不同價態(tài)），電池容量的損耗就很少，所以釩電池的壽命往往能超過十年。
期間當電池使用較長時間，其性能下降之后，可以通過修復電解液活性來恢復一定的性能。如果最后釩電池系統(tǒng)壽命到期，電解液還是不會浪費，既可以應用到新的電池系統(tǒng)中，也可以作為釩資源進行提純加工，最終實現(xiàn)電解液的循環(huán)利用。
02
已有“氫、鋰、鈉”，釩電池作何之用？
行文至此，大家已經熟悉釩電池的特點——安全性高、循環(huán)壽命長、容易擴容、對環(huán)境友好。可在我們日常生活當中，卻幾乎見不到釩電池的身影。
究其根本，釩電池短板同樣也明顯——體積大、能量密度低，還有成本高。
尤其是電解液和電堆分離設計導致的占地面積大確實是硬傷。光論這一點，顯然跟我們的日常使用場景格格不入：手機、家用電器等對電池的要求是體積越小越好，就連電動大巴車的底盤里也巴不得能多裝進一塊電池。
為什么能量密度低呢？其實這是由“出身”決定的。釩電池的電解液是儲存在罐子中，占地空間已經不小了，同時還需要用泵來維持電解液的流動，這也造成不少的能量損耗，目前釩電池的能量轉化效率為70-75%，大幅低于鋰電池（90%）。同時，釩離子的溶解度較低，正負極的電解液無法達到理想中的高濃度。
最終，以上因素疊加導致釩電池的能量密度低的有點上不了臺面，僅為12-40Wh/kg。這是什么概念？比因為笨重而飽受詬病的鉛酸電池的能量密度還低。
如果和鋰電池相比，要存一樣的電，釩電池的體積一般要大5倍以上。所以，我們也很容可以得出結論：智能手機、便攜家用電器等消費品根本不是釩電池的“菜”。那些想蹭一波熱點，認為釩電池要撼動鋰電池地位的想法顯然是片面的，畢竟他們壓根就不在同一條跑道上。
接著再來看看成本。釩電池初裝成本較高可以說是釩電池最大的缺點，也是制約行業(yè)發(fā)展的一大痛點。目前釩電池價格仍然是鋰離子電池的2倍以上，跟成熟的鉛酸電池相比更是沒有價格優(yōu)勢。
到這里，想必有不少人看不下去了，既然釩電池體積大、能量密度低的問題基本無解，大部分使用場景被拒之門外。為什么資本市場還要把釩電池拿到臺面上講，難道真的是爆炒一波？
中國有句名言：尺有所短，寸有所長。相比鋰電池這樣輕便靈活的“移動硬盤”，釩電池更像是大容量“硬盤”。釩電池有著大規(guī)模、高安全、長壽命的技術優(yōu)勢，能夠在大規(guī)模、大容量的場景發(fā)揮比較優(yōu)勢，最典型的應用場景就是配套風電、光伏的儲能。
對于成本方面，我們的看法是，現(xiàn)階段釩電池確實是比鋰電池貴不少。但看一個技術的前景，也要看它未來的成本下降空間，能否靠技術改進和規(guī)?；瘉眚寗?。客觀的講，過去鋰電池也同樣遇到成本高的問題。還有現(xiàn)在鈉離子電池和氫燃料電池也一樣面臨成本高的問題。
回顧歷史，釩電池技術的研究、開發(fā)與應用起始于上世紀80年代，早在1988年，澳大利亞新南威爾士大學就開發(fā)出1kW的釩電池系統(tǒng)。可以說，釩電池是和鋰電池、燃料電池等同一時代的技術。不過后來鋰電池在1991年商業(yè)化后憑借能量密度高、體積小的特點率先出圈，之后一路扶搖而上。而釩電池由于應用場景受限，一直都比較冷門。
說到底，過去我們一直需要的是更輕便，能量密度更高的電池，壓根沒有多少場景需要大容量電池，所以釩電池的長板毫無用武之地。但是隨著能源革命的進行，可再生能源電力的增多，我們對大容量存儲的需求越來越高，釩電池重新回到賽道，是符合客觀規(guī)律的。
和手機、電動車不同，儲能電站對能量密度和占地面積沒有過多的要求。相較而言，儲能電站更看重電池壽命、安全性和使用成本。比如占據(jù)儲能最大份額的抽水蓄能電站，其壽命一般都長達20年甚至50年以上。在今年6月國家能源局近日發(fā)布的《防止電力生產事故的二十五項重點要求（征求意見稿）》中提出，中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池。
事實上，最近幾年，釩電池在國內受到越來越廣泛的重視。從事釩電池儲能技術研究和產業(yè)發(fā)展的機構逐漸增多，包括：中科院大連化物所、大連融科儲能公司、北京普能、武漢南瑞等。其中，大連化物所和融科儲能公司在基礎研發(fā)、產品設計、技術應用及產業(yè)化進程方面已經走在了世界前列。
也就是說，被掃進垃圾堆的釩電池意外搭上了儲能的快車。
今年5月，在遼寧大連，一座超大型的釩電池儲能電站迎來了并網投運。該電站為“大連液流電池儲能調峰電站國家示范項目”的一期項目，已經投入的716個灰白色電解液儲罐可儲存400兆瓦時電量，即40萬度電，可以供應近2000個家庭使用一個月。目前是全球最大的液流電池儲電站，被稱為“儲能之王”，到二期項目全部投運后，儲電能力還能翻一倍，到80萬度電。樂觀點說，釩電池技術的規(guī)模化應用已經進入快車道。
話說回來，電池的三個指標：能量密度、安全、壽命，就如經濟學里的“不可能三角”，世界上很難有絕對完美的電池。所以我們萬萬不能“撿了西瓜丟芝麻”，而要根據(jù)各個產品的特性，用其所長，做到物盡其用。
從電池材料資源角度講，有了鋰電池，我們還需要想辦法用好氫燃料電池、鈉離子電池和釩電池。這樣電池企業(yè)也不需要扎堆在一種材料上面，為原材料漲價而苦惱。據(jù)USGS統(tǒng)計，截至2021年底，全球已認定符合當前采掘和生產要求的釩礦儲量超過2400萬噸，其中，中國釩礦儲量約為950萬，占比39.6%，位居世界第一。跟鈉離子一樣，釩電池也不用擔心被原材料“卡脖子”。
03
能否和鋰電池、燃料電池、鈉電池并肩起舞？
現(xiàn)階段，業(yè)內已經充分認可釩電池的大容量存儲能力和安全性。這可以歸功于釩電池的先天優(yōu)勢。但未來要想和鋰電池們一起共舞，還需要后天不懈努力。（其實同樣具有先天優(yōu)勢的燃料電池和鈉離子電池也是相似的成長邏輯）
接下來，整個釩電池產業(yè)鏈還要加快速度發(fā)展，在電池關鍵材料研究與開發(fā)、電堆設計與制造、系統(tǒng)集成技術等方面更進一步。
1.電解液
電解液不僅是釩電池的重要部分也是成本的大頭，占釩電池總成本比例約40%。換言之，電解液成本能否降下來成為釩電池降本的關鍵。
對于釩資源，我國不僅儲量第一，產量也是全球第一，占比高達68%，資源可完全自給。這是國內發(fā)展釩電池得天獨厚的優(yōu)勢。當前國內的釩資源企業(yè)主要有攀鋼釩鈦、河鋼承鋼、安寧股份、西部礦業(yè)等。其中攀鋼釩鈦也是全球產能規(guī)模最大的企業(yè)。
隨著釩電池需求量的提升，攀鋼釩鈦、河鋼股份等釩資源企業(yè)正積極投向電解液生產環(huán)節(jié)，將釩資源優(yōu)勢和電池企業(yè)的研發(fā)能力結合，形成產業(yè)協(xié)同效應，可以加快電解液的產業(yè)規(guī)模化發(fā)展。
其次，前文已經提到釩電池電解液是可以循環(huán)利用，如果能夠促成制造-使用-回收的產業(yè)閉環(huán)，進一步提高電解液的殘值，那么釩電池全生命周期內的成本將大幅降低。同時，通過開展電解液租賃等商業(yè)模式創(chuàng)新，也可降低釩電池的初始投資成本，如果該模式能夠走通反過來又可以促進釩電池的規(guī)?；l(fā)展。
最后，提高釩電池的能量密度也就意味著降低了電池成本。由于釩離子在電解液中的溶解度本身就不高，極大制約了電池的能量密度，而且溫度過高，釩離子的溶解度也會受到影響。一直以來，釩電池企業(yè)不斷研究，致力于提高電解液中釩離子的濃度，并同步改善高溫下穩(wěn)定性。目前電解液正從傳統(tǒng)硫酸基質向鹽酸基質等新配方升級迭代，其釩離子濃度和工作溫區(qū)都有顯著改善。
可以預見的是，隨著技術進步和裝機量的增長，以及電解液商業(yè)模式的完善，釩電池的成本有望更快進入“平價區(qū)間”。
2.離子交換膜
電堆是成本占比僅次于電解液的部件，占總成本比例約35%。其中，離子交換膜是電堆內部的核心部件，不僅直接影響到電池性能，也是決定電堆成本能否快速下降的關鍵材料。
不過目前離子交換膜的國產化率還比較低，一直以來，國內釩電池企業(yè)主要使用的是美國杜邦生產的全氟烴膜（Nafion）。（關鍵性的熔融擠出壓延成型技術長期為國外企業(yè)壟斷）
然而，雖然Nafion膜具備優(yōu)異的性能，是電堆的首選材料，但是價格過于昂貴。夸張點說，Nafion膜已經制約著釩電池的發(fā)展。因此，實現(xiàn)杜邦Nafion膜的“平替”，完成國產化是降低釩電池成本、推動規(guī)?；瘧玫挠行Р呗?。
當前國內的全氟烴膜生產企業(yè)主要有東岳集團和江蘇科潤，已經在國產替代方面已經取得一定成果。與此同時，大連化物所的非氟多孔離子傳導膜的研究上也取得突破性進展，量產之后可以有效降低電堆成本。（限于篇幅，其他材料和系統(tǒng)等不做展開）
化學的世界充滿無限可能，多種電池技術已經到了百家爭鳴的時代。站在能源革命的視角，不同電池技術沒有“顛覆”、“撼動”一說，有的只是“互補”、“共生”。希望鋰電池、燃料電池、鈉電池、釩電池“共舞”的場景早日到來。
本文來自格隆匯專欄：錦緞，作者：知勇