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6月29日,国家能源局发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求(年版)(征求意见稿)》,其中,在稿件的第2.12.1项中提出:
“中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,不宜选用梯次利用动力电池;选用梯次利用动力电池时,应进行一致性筛选并结合溯源数据进行安全评估。”
图源:国家能源局
文件一出,锂电池市场走低,而钒电池概念持续领涨,逆势走强。7月12日,河钢股份涨停,银龙股份、明星电力、智光电气、安宁股份等相关概念股纷纷上涨。而钒资源龙头企业攀钢集团钒钛资源股份有限公司股价从6月29日到近期涨到接近翻倍。
风向已转,钒电池迎来风口。不少人认为新能源电池“大哥”之位即将易主,钒电池或成为新“大哥”。
钒电池的“真面目”
那么,钒电池究竟是什么?又为什么在锂电池被国家能源局所“禁止”时,它反而成为了最大的获益者?
实际上,钒电池并不是某个半路出现的黑科技,而是一种我国早在20世纪80年代末就开始研究,并小有规模的新能源储能技术。
钒电池,专业名称为全钒氧化还原液流电池,是一种环保及大容量可深度充放电的储能电池,通过利用钒离子在不同氧化态下的不同化学势能保存能量。
如果还不清楚,那么再拆分它的名字来解释。
全钒:电池的正负极都是钒。
氧化还原:是电池的基本运作原理,通过氧化还原过程中电子的得失,电子的移动形成电流。
液流电池:电池的正负极均为液体。电池的能量直接存储在液态的电解质中,可以想象为正负极与电解液“合体”,当然,电解液与电堆是分开的。
总的来说,钒电池因为自身特性,并不“存在”正负极,不需要像摇椅一样在两段反复奔跑,正负极电解液各自按照既定路线流向电堆即完成充放电的过程。
钒电池运作事宜图图源:锦缎研究院
在锂电池“遭受打击”的时候,之所以钒电池会被推上新能源的风口,更多是因为它所沉寂的时间够长,也因为它自身所拥有的特性,让它在这场新能源之战中能够站得更久。
钒电池有“一副好躯体”
新能源电池长久以来被诟病的无非两点:“瘦小的躯体”和“高危的病根”——储能与安全性。
新能源行业的核心课题,从来都不是“发电”而是“储能”,这背后的根源,是因为“电调峰”。
白天,通过光伏、风力等方式发电所产出的电量数量巨大,但是无法存储,也无法及时使用完。到了夜晚,电量使用需求巨增,但随着光能减弱、风力变少,产出电量满足不了用电需求,从而导致电荒。
解决发电与用电之间的错峰问题,需要依赖一个中间的环节——储能。
为了缓解储能的困难,研发者对电池类型、组装方式等等进行全方位的探索。如果单个“瘦小的躯体”无法承担一个石头的重量,那么一群或许可以。研发者们选择用更多的“躯体”去填补这个空缺,这就激发了“病根”所埋下的问题——电池爆炸。
据光大证券统计,从年到年4月,全球总计发生34起储能电站爆炸事件,其中由锂电池引起的事故高达32起。
所以,相比起锂电池,钒电池可谓拥有“一副好躯体”。钒电池的正、负极电解液均为极不易燃的无机水溶液,且即使正负电极意外发生混合现象,也因为两者均属于钒离子家族(正极为5价钒和4价钒,负极为3价钒和2价钒),所以不会发生危险情况。
此外,钒电池在充放电过程中,电解液会循环流动,电堆内部产生的热量很容易就可以通过输送管路上的热交换器散热。
借助于正负极相同的原理,钒电池拥有不错的一致性,能让不同电芯之间的交互变得更加安全、可靠,这一点也钒电池的电解液更为稳定,极大的延长了电池的使用寿命。
另一个不得不提的优点,是钒电池“能装”。借助于稳定和长寿的特点,在同一个使用周期中,钒电池能够实现更多次的充放电,而借助于钒电池的功率单元和容量单元相互独立的“解耦设计”,钒电池可以通过组合的方式构成更大规模的电池组,输出功率可达数百兆瓦,可存数十万度电。
还有一个不可忽视的优势是,相较于储量只占全球7%的锂矿资源,我国的钒资源储量占全球42%,丰富的钒储量实现了自给自足,且大部分为易提取的钒钛磁铁矿。
一句话总结钒电池,那就是:
“比它能装的,没它安全;比它安全的,没它能装。”
“起跑”不理想的追赶者
又安全、又稳定,还可以实现大储量,按道理来说这样优秀的新能源电池,应该早就得到电池行业的青睐,但为何之前在动力领域一直默默无闻?
答案很简单,就是钒电池自己不理想的“起跑”成绩——技术发展缓慢、成本极高以及能量低。
钒电池对环境温度有着接近苛刻的要求,最高不能超过45°C,因为一旦超过这个温度,正极溶液中就将析出沉淀物堵塞流道,使其报废。然而,对于电池来说,电解液只要在反应就会放热,45°C是一个非常容易达到的温度。
其次,钒电池还容易出现正负液交叉污染和正极材料被腐蚀的现象,这些情况都导致通常每隔两个月,钒电池就需要专业人士来进行维护,这种高频次的维护费钱费力。
至于成本上,一个钒电池项目的总投资成本集中在3.8-6.0元/Wh,是锂电池的2倍以上,而与更为成熟的铅酸电池就比较就毫无优点可言了。
最致命的,是钒电池的能量低。钒电池在运行过程中需要用泵来维持电解液的流动,因此其损耗较大,能量转换效率相较于锂电池仅仅只为其70%-75%。同时,钒电池的电池能量密度也比较低,仅为12-40Wh/kg,比因笨重而饱受诟病的铅酸电池能量密度还低,但体积却是锂电池的3-5倍。
正是这三大致命缺陷,让钒电池迟迟得不到资本市场的青睐,让它在新能源电池赛道的“起跑”变得如此的不理想。
除去起跑的负担,钒电池的追赶之路也并没有想象中的那么美好。
截至年,国内钒产量超过5万吨,对应的五氧化二钒产量为11万吨以上,占全球总产量的七成左右。然而,这其中超过90%的钒都被应用于钢铁生产之中,用于储能的钒占比仅仅为0.2%。
其次,尽管我国的钒矿资源充足,但是能提供的钒数量不一定很理想。目前,我国可提取的钒矿,主要分布于四川攀枝花和河北承德,其中,四川攀枝花地区钒储量,占国内已探明钒储量的87%。
其余地段,包括中核钛白所在的甘肃省,主要分布的钒矿都是石煤,这种矿藏提钒虽然简单易行,然而资源利用率较差,并且存在极为严重的环保问题,目前已基本被禁止。
而掌握钒矿资源的钛企,也不一定能够给出很充足的产量。究其根本,是因为钒只是钛企制造二氧化钛的废酸产物,属于副产品,只具备提取和生产的能力,而缺乏扩产的可能。
以钛白粉巨头龙佰集团为例,年,公司钛白粉总产量为81.72万吨,对应的废水含钒总量为吨,而这些钒还无法被全部提取。
因此,倘若现在就把钒电池捧为新的能源电池“大哥”,估计还为时尚早。
动力偏锂,储能爱钒
年,锂电池每kwh需要元的成本,销售也仅仅只有0.25GWh,此时的它,一样被质疑成本过高,一样的被捧上风口,却也饱受质疑。
六年过去,随着技术的不断发展,以宁德时代为样本,曾经元/kwh的单位成本已经降至元/kwh,销量也晋升到46.84Gwh。
锂电池成本持续下降图源:宁德时代年报
与锂电池同一时代研发的钒电池,因为能量密度低、体积过大而无法得到青睐,但是如今随着能源革命的进行,可再生能源电力的增多,在这个对大容量存储需求日益增加的时代,或许钒电池这次能够得到更多的青睐,实现更快的进步。
钒电池的发展历程
总的来说,以手机、汽车为主的中小型电池市场,锂电池估计不会因为这场风波而受到动摇,目前已经达到技术成熟的它依旧稳坐宝座。
但是,在需求大规模、大容量的储能场景中,钒电池或许能够实现短途突破,走小路赶超其他能源电池。也许,在未来的某一天,储能领域上,钒电池也能成为独一无二的“大哥”。
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