全釩液流電池材料行業(yè)深度報告
分類：前沿資訊
- 作者：國海證券
- 發(fā)布時間：2022-08-09
【概要描述】流道設計對于液流電池電壓效率提高具有重要作用。相較于沒有進行流道設計的液流電池，其電解液在電極中的流速分布以及反應離子分布更加均勻，能夠降低電解液進出口壓降以及電極中的濃差過電位，從而減少損耗，提高電壓效率。
文字簡介： 全釩液流電池，即釩氧化還原液流電池（VRB），是一種較為先進、被廣泛商用的基于金屬釩元素的氧化還原液流電池。液流電池是指由電堆（包含電極和離子交換膜）、電解液存儲供給單元以及電池管理控制單元組成的電池類型，與其他電池最主要的區(qū)別在于電解液的儲存方式。工作時，正負極電解液分別從正、負極電解液儲罐通過循環(huán)泵進入電堆的正負極單元， 然后再經管道分別回到正負極電解液儲罐，完成循環(huán)。在電堆內，正負極電解液活性物質均在電極上進行電化學反應，反應過程中只有價態(tài)變化而無相轉化發(fā)生，正負極電解液通過離子交換膜隔開并交換電荷。 全釩液流電池技術最早于1984年由澳大利亞新南威爾士大學提出并申請專利，經過三十多年發(fā)展，核心技術主要掌握在日本、中國、 澳大利亞、加拿大等國家。日本是一個電力短缺的國家，并且有多年的集團化開發(fā)大型化學液流電池儲能系統(tǒng)的經驗。從1985年起, 日本住友電工(SEI) 與日本關西電力公司最早開始合作開發(fā)釩電池。之后，住友電工成為日本具備完整生產和組建釩電池系統(tǒng)全套技術的公司， 技術成熟度居世界首位。北美主要以初創(chuàng)公司及小微企業(yè)為主，在美國能源部等支持下進行了全釩液流電池商業(yè)化推廣。2021年，美國能源部宣布撥款419萬美元資助Largo公司進行高效全釩液流電池生產工藝的開發(fā)。 釩電池配置靈活，功率和容量具備解耦性。釩電池的關鍵驅動因素包括其靈活性，耐久性，安全性，環(huán)境友好性以及全生命周期成本優(yōu)勢。配置靈活性：釩電池設計靈活，功率和容量獨立設計。電池的輸出功率由電堆大小決定，增加單電池數量和有效面積，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；可根據各種應用場所和領域的負載大小進行功率和容量的調節(jié)。對于大型新能源發(fā)電廠而言，增加能量存儲容量可以降低每千瓦時的均衡成本。 新型儲能市場空間規(guī)模廣大，據CNESA統(tǒng)計，截至2021年底，中國已投運電力儲能項目累計裝機規(guī)模46.1GW，占全球市場總規(guī)模的22%。其中，抽水 蓄能的累計裝機規(guī)模為39.8GW，占比為86.3%，較去年同期下降3個百分點；市場增量主要來自新型儲能，累計裝機規(guī)模達到5.73GW，同比增長75%，占比達12.5%。 隨著電力市場的逐漸完善，儲能供應鏈配套，新型儲能憑借建設周期短、環(huán)境影響小、選址要求低等優(yōu)勢，在市場中將呈現(xiàn) 穩(wěn)步、快速增長的趨勢。據CNESA預測，保守場景下新型儲能累計裝機規(guī)模在2022-2026年的年均復合增長率為53.3%， 2026年將達到48.5GW ；理想場景下 ，在2022-2026年的年均復合增長率有望達到 69.2%，預計2026年累計規(guī)模將達到 79.5GW。 離子交換膜和電極是釩電池性能、成本優(yōu)化的關鍵 電堆是釩電池的主體部分，在釩電池成本中占比35%，其核心在于離子交換膜、電極和雙極板。離子交換膜用于阻隔正負極電 解液，選擇性通過符合條件的粒子，既使得電路形成閉合，又阻礙了電解液間不同價態(tài)釩離子因交叉污染引起的自放電現(xiàn)象；電極是電化學反應發(fā)生的場所；雙極板表面刻印有流道從而降低系統(tǒng)內電解液流動的壓力損失，降低泵功。 電解液是釩電池重要組分 電解液是釩電池的重要組分，占釩電池成本比例約40%。釩電池正極電解液由含有V5+和V4+離子的硫酸溶液組成，在溶液中的 存在形式為VO2+ 和VO2 +，負極電解液是由含有V2+和V3+離子的硫酸溶液組成。 由于V2O5溶解度小，不能直接由V2O5粉末溶解到酸性溶液中制備電解液。出于經濟性考慮，工業(yè)上常采用電化學溶解法或 化學還原法助溶得到高濃度釩離子溶液。前者先將少量V2O5粉末溶于硫酸，通過外加電源和持續(xù)投料，最后在電解池陰極得 到等濃度的V（Ⅳ）和V（Ⅲ）溶液，可直接用于釩電池充放電循環(huán)。后者是將V2O5粉末混合于硫酸后，再加入草酸或水合肼 等還原劑，得到V（Ⅳ）溶液，單一價態(tài)溶液最后再通過電解獲得不同價態(tài)的釩電池用電解液。 電解液上游原料主要為釩，自然界中釩很難以單體形式存在，主要以釩礦的形式存在，釩礦是含有釩的礦物， 包括釩鈦磁鐵礦、含釩石煤、鉀釩鈾礦和石油伴生礦等。我國釩礦資源主要是釩鈦磁鐵礦和含釩石煤。 攀鋼釩鈦是國內釩產品龍頭，國內企業(yè)的釩產品原料主要為副產煉鋼的釩渣，產能規(guī)模較大的企業(yè)主要有攀鋼釩鈦、河鋼集團承鋼公司、北 京建龍重工、成渝釩鈦以及四川德勝集團等，其中攀鋼釩鈦的產能為4萬噸/年，位居全國第一。 龍佰集團于2022年7月發(fā)布公告擬投資25億元建設年產3萬噸五氧化二釩創(chuàng)新示范工程，項目分期實施，一期建 設年產1.5萬噸98% V2O5和360萬噸鐵精礦堿性球團；二期建設年產1.5萬噸V2O5和360萬噸鐵精礦堿性球團， 最終達到年產3.0萬噸98% V2O5和720萬噸鐵精礦堿性球團，建設周期31個月。陜西秦楓科技于2022年2月在陜西商南縣舉行年產1.1萬噸五氧化二釩項目開工儀式，該項目擬投資8.9億元。湖北工建集團于2021年4月在湖北宜都簽約釩電材料生產及釩電池項目，總投資10億元，一期建設年產3000噸 五氧化二釩生產線，二期建設年產6GWh釩電池生產線。 釩下游應用領域廣泛 在現(xiàn)代工業(yè)中，釩鐵和金屬釩主要應用于鋼鐵冶金和航空航天行業(yè)；含釩化合物應用于化工和電池行業(yè)；釩元 素作為材料添加劑，可用于硬質合金、磁性、超導及核反應堆材料等；釩的氧化物及其化合物充當著色劑可有 效應用在玻璃和陶瓷工業(yè)；最后，作為新型領域，釩還用于生產釩電池、稀土釩、釩納米和釩薄膜材料等高科 技材料。 質子交換膜迎來新應用，離子交換膜是釩電池關鍵構件 離子交換膜是釩液流電池中的重要結構部件，其可以分隔陰陽極電解液，選擇性地通過符合條件的粒子，既使得電路形成閉合， 又阻礙了電解液間不同價態(tài)釩離子因交叉污染引起的自放電現(xiàn)象。 釩氧化還原流電池的膜應該具有以下特性：對釩離子和水分子的滲透率要低，降低自放電傾向；對質子或選擇性陰離子 （硫酸根離子）有高的傳輸能力，減小膜的電阻，降低因膜內阻造成的效率損失；優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性；較低的制造成本。 國外企業(yè)在質子交換膜市場仍占主導地位 質子交換膜由于制備工藝復雜，長期被杜邦、戈爾、旭硝子等美國和日本少數廠家壟斷。杜邦是全球最早開發(fā)并銷售質子交換膜的企業(yè)，早在1962年就開發(fā)出性能優(yōu)良的全氟磺酸型質子交換膜，即Nafion系列產品， 截至目前Nafion膜也是全球使用最廣泛的。目前，國外品牌全氟磺酸膜價格相對較高，以Nafion117為例，價格在500-1000美元/平方米；Nafion212價格在300-400美元/ 平方米，高價膜也一定程度抑制釩電池的推廣。以東岳、科潤為代表的國內企業(yè)也致力于質子交換膜的國產化，目前主要集中在主流需求的全氟磺酸質子交換膜的生產以及技術攻關上。 釩電池用離子交換膜市場規(guī)模有望突破60億元 據偉力得環(huán)評報告，每生產1MW的釩電池所需要消耗的離子交換膜約為830 m2，據我們測算，2021年釩液流電 池新增裝機規(guī)模達到0.13GW ，消耗的離子交換膜達10.8萬平方米，預計2026年釩液流電池新增裝機規(guī)模達到 4.93GW ，消耗的離子交換膜將達到409.33萬平方米,市場規(guī)?？蛇_62.60億元。 碳氈電極帶動碳纖維需求增長 釩電池對電極性能有特殊要求，不同于傳統(tǒng)鋰電池電極的插層機理（電解液離子在電極層狀結構的材料晶格中的可逆插層和脫出），全釩液流電池的電極本身并不直接參與反應，僅在電極表面為電化學反應提供反應活性位點。電化學反應發(fā)生時，這些 活性位點有效降低了反應發(fā)生所需活化能，使電化學反應順利進行。 全釩液流電池的電極材料需要具備以下特點：電極材料具有良好的化學穩(wěn)定性，耐酸耐氧化，以確保電極具 有長的使用壽命；優(yōu)越的電催化活性，可以提高電化學反應速度，即提高釩液流電池的倍率性能；高比表 面積/有效電化學表面積，以保證電極與電解液充分接觸，提高單位體積電解液電化學反應總量，即提高電解液利用率；良好的導電性能，可以降低電池內阻，減小充放電過程中的電化學極化。 較多中小廠商布局碳氈/石墨氈 碳氈和石墨氈均屬碳纖維材料，該類材料具有質輕、高強度、高模量、導電、導熱、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、膨脹系數小等 一系列其他材料所不可替代的優(yōu)良性能。 目前，國內碳氈/石墨氈主要是納科新材料、甘肅富萊、吉林神舟等尚未上市中小廠商進行布局，這些企業(yè)從主流碳纖維廠采 購碳纖維，并進一步深加工，制成碳氈/石墨氈銷售給下游融科儲能、上海電氣等釩電池集成廠商。 釩電池裝機量拉動碳氈市場規(guī)模 一方面隨著釩電池市場增長，裝機規(guī)模增加，碳氈需求將直線上升；另一方面，隨著碳纖維整體需求上升，生 產規(guī)模不斷擴大，碳氈單價有望得到向下調整。 據偉力得環(huán)評公告，每生產1MW的釩電池所需要消耗的碳氈約為1450m2 ，2021年釩液流電池新增裝機規(guī)模達 到0.13GW ，消耗的碳氈達18.9萬平方米，預計2026年釩液流電池新增裝機規(guī)模達到4.93GW ，消耗的碳氈將 達到715.1萬平方米,市場規(guī)模可達7.22億元。
