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（报告出品方/作者：联储证券，左景冉）
1.钒电池简介
1.1发展历程：从“女神元素”到储能电池
全钒液流电池（VFB）又称钒电池，主要利用钒离子的价态的变化来实现电能的储存和释放。从工作原理上来看，钒电池相比锂离子电池的最大不同在于导电离子主要为不同价态的钒离子。钒元素的价态多变，不同价态的化合物呈现不同的颜色，所以用北欧神话里的女神Vanadis（又名Freyja，爱情与美貌之神）来命名，翻译为中文就是“钒”。充电时，正极的VO2+失去电子成为VO2+，负极的V3+得到电子成为V2+；放电时则相反。从结构上看，与锂电池的电解液集成在电池内部不同，钒电池的正负极的两侧各有一个电解液储罐，通过循环泵输送至电池内部进行反应。
钒电池最早由澳大利亚新南威尔士大学Skyllas-Kazacos提出，因其具有安全性高、储能容量大、使用寿命长等特点得到了长足的发展。钒电池正负极氧化还原电对使用同种元素钒，电解液在长期运行过程中可再生，避免了交叉污染带来的电池容量难以恢复的问题；钒电池正负极反应动力学良好，无外加催化剂即可达到较高的功率密度；而且由于钒电池使用水溶液作为储能介质，避免了有机溶剂作为电解液时易燃易爆炸的安全风险，可靠性高。随着清洁能源发展对储能需求的增加，越来越多的研究单位和企业开始涉足钒电池产业化的开发，如日本住友电工、美国UET公司、英国Invinity、奥地利Enerox、澳大利亚TNGLtd公司等。我国对钒电池的研究起步较早，目前已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。20世纪80年代末，北京大学和中国地质大学已建立了全钒液流电池实验室模型。年中国工程物理研究院研制出1kW的钒电池电堆样机。此后，中南大学、中科院大连化物所、清华大学、中科院沈阳金属所、北京普能、大连融科等机构开始从事钒电池的研发和商业化推广工作。年10月31日，全球最大的全钒液流电池储能电站建成并在辽宁大连并网发电，一期规模为MW/MWh。
1.2市场：乘储能东风，溪云初起正当时
随着储能行业的快速发展，钒电池装机规模有望进一步增长。根据国家能源局的数据，截至年底，全国已投运新型储能项目装机规模达万千瓦，平均储能时长约2.1小时，比年底增长%以上。年7月，国家能源局在《关于加快推动新型储能发展的指导意见》中指出，到年，我国新型储能装机容量要达到30GW以上。而根据年11月中国电力企业联合会《新能源配储能运行情况调研报告》的数据，到年，国内各省规划的新型储能装机规模合计超过60GW。而钒电池作为储能技术的一种，年和年在新型储能装机中的占比分别为0.6%、2.3%，并有望随着长时储能需求的增大，渗透率进一步提升。
乐观场景下，假设各省储能目标都能顺利实现，年国内钒电池市场渗透率达到15%，平均储能时长为4h，则预计年钒电池的装机功率为9GW，装机容量达到36GWh以上，而钒电池产业将从商业化初期进入规模化发展阶段。
2.产业链：技术日趋成熟，产业链初步成形
目前钒电池产业处在商业化早期，市场需求未打开，相关企业分为三类：上游钒矿、中游原材料商和电池集成商。现阶段钒电池产业链面临的主要问题是：成本问题制约了钒电池的规模化市场应用。后续随着产业链的完善，成本会有进一步的下降空间。
2.1上游：我国钒储量全球第一，自有钒矿企业铸就资源壁垒
我国钒储量非常丰富，主要集中分布在四川攀枝花和河北承德等地区。在钒储量方面，根据USGS数据，我国已探明钒储量万吨，约占全球总储量的37.6%，位居全球第一。在钒制品产量方面，根据中国钢铁工业协会的数据，年中国大陆钒产量约为13.6万吨，占全球产量比例约65%，其中年四川攀西地区的钒产量为6.2万吨，约占全国钒产量的44%，占全球钒产量的30%。在钒资源的分布上，我国目前可提取的钒矿主要分布在四川攀枝花和河北承德，其中四川攀西地区的钒储量最高，约占国内已探明钒储量的63%；其他地区如中核钛白所在甘肃省，虽然也有分布，但以含钒石煤为主，资源利用率较差。
在钒资源的应用方面，目前国内95%以上的钒产品应用在钢铁领域，2%应用在钒储能领域。从钒消费领域来看，钒制品主要应用于钢铁领域，约占90%以上。将钒应用于钢铁铸造领域，可显著提高钢铁的强度、韧性和耐磨性；钒在钛合金中可作为稳定剂和强化剂，提高钛合金的延展性和可塑性；在化工领域，钒是重要的化工原料和催化剂；在储能领域，钒电解液是全钒液流电池的重要组件。随着钒电池产业化的进行，对钒产品的需求有望快速增大，上游钒制品生产线需要进一步的规模扩大和技术升级改造。
现阶段钒资源的开发和利用以钒钛磁铁矿炼钢副产钒渣为主。我国钒资源主要为钒钛磁铁矿和含钒石煤，二者占比分别为52%，48%。不过由于石煤提钒的回收率低、环保压力大生产成本高，目前我国钒资源的开发和利用以钒钛磁铁矿为主，在产钒原料占比中为90%左右。据国际钒技术委员会（Vanitec）统计，全球约有76%的钒来自中国、俄罗斯和新西兰钢厂的副产炼钢钒渣；约13%的钒产量直接来自于钒钛磁铁矿，以南非的布什维尔德矿业公司和嘉能可公司、巴西的Largo资源公司为代表；约11%的钒由二次回收的含钒副产品（含钒燃油灰渣、废化学催化剂等）及含钒石煤生产。
提钒工艺方面，现阶段主要采用以钒渣为原料的钠化焙烧提钒工艺。高炉－转炉冶炼技术是一种传统的冶炼钒钛磁铁矿精矿的方法。在整个高炉－转炉冶炼钒钛磁铁矿的流程中，主要产生了三种炉渣，即含钛高炉渣，钒渣和钢渣。钒渣提钒工艺主要包括钠化焙烧提钒工艺、钙化焙烧提钒工艺、亚熔盐提钒工艺、无盐焙烧提钒工艺等，其中钠化焙烧提钒工艺是目前应用最广泛、最传统的提钒工艺。国内以钒钛磁铁矿为原料生产钒制品的企业有钒钛股份、建龙钢铁、承德钒钛、川威集团、德胜钒钛等。
随着储能领域对钒需求的增大和提钒技术的不断进步，未来石煤提钒在钒工业的应用比例会逐步提高。相比钒钛磁铁矿炼钢后的钒渣提钒（钒渣含钒量约为15%），石煤矿的钒含量偏低，仅为1%左右，且提钒成本明显偏高，约为6~8万元/吨，所以现阶段从事石煤提钒生产的多为中小型企业。据不完全统计，年我国石煤提钒在产企业有14家，总产能约为1.4万吨，主要集中在陕西商洛、河南等地区。
钢铁行业用钒需求增量有限，钒电池产业化或带动钒消耗量迅速增加。年，房地产行业对钢铁需求持续下降，汽车、机械行业对钢铁需求保持增长但增幅较小。根据中国钢铁工业协会数据，年中国粗钢产量10.13亿吨，同比下降2.1%，连续第二年下降。由于钒制品在钢铁领域的主要应用为螺纹钢等精钢领域，未来钒在精钢里的添加量有望进一步提高，因此预计短期内钢铁行业用钒不会明显减少，也不会有大幅的增长。
钒制品的供给相对刚性，未来产能增量较为有限。由于现阶段钒产品主要来源于钒钛磁铁矿炼钢后的钒渣提钒，而当前国内政策严格控制钢铁产能，因此未来采用钒渣提钒工艺带来的钒制品产能增量较为有限。石煤提钒工艺当前成本偏高，约为8-10万元/吨，且现有工艺环保压力较大，有待技术进一步成熟降低成本。
钒产品历史价格受钢铁行业影响明显，随着钒电池对钒需求的增大，钒产品价格有望上涨。自年11月1日起，国内钢铁企业生产建筑钢材执行新的国家标准GB/T.2-，新标准对螺纹钢中钒铁用量提出了明确要求，此后钢铁行业钒用量迅速增加，带动钒产品价格上涨，后续随着产能增加，钒价理性回归并进入市场盘整期。根据百川盈孚的数据，年3月17日，国内原料大厂98%片钒价格维持在14万元/吨，预计短期内钒市场波动空间不大。后续随着储能电池项目的加速落地，钒电池用钒需求有望推动钒价上涨。
2.2中游：关键材料自主可控，国产替代趋势明显
钒电池所需关键材料基本可以实现全国产化，部分部件仍与国外先进水平有一定差距。典型的全钒液流电池储能系统主要包含电解液、循环泵、电池端板、集流板、双极板、电极、隔膜、电极框等。电极材料上，目前市面上有国产化的石墨毡电极，在碳纤维制备、品相性能与国外相比有一定差距，但是应用在钒电池上影响没那么大，未来不是卡脖子的领域；膜制品上，部分国内公司如山东东岳已经有商用的全氟磺酸膜，还有中科院大连化物所研发的非氟的多孔膜，成本已大幅降低；电解液需求量大、成本略高等。但随着钒电池需求的增大和产能的铺开，钒电池关键材料的制造成本有望进一步下降，电化学性能有望进一步提高。
电解液是钒电池电能的载体，其性能直接影响着钒电池的储电能力。电解液的发展方向为高浓度、高稳定性、高电化学活性。电解液技术突破的难点在于钒离子浓度的提升。全钒液流电池的电化学活性物质中，钒的浓度一般在1.4-1.7mol/L,而商业化的电解液通常使用硫酸水溶液作为基质，正负极分别硫酸氧钒和硫酸钒。硫酸的质量百分比浓度约在30%左右。自年起，我国陆续启动对混酸体系和盐酸体系的电解液研究，新型电解液的钒离子浓度在实验室阶段可达3~5mol/L。
钒电解液制备主要包括物理溶解法、化学还原法和电解法。物理溶解法是用硫酸直接溶解高纯度的VOSO4固体制得。化学还原法主要采用单质硫、亚硫酸、有机羧酸或醇等还原剂在一定温度下将五价钒还原为四价或三价钒。比化学还原法更简单，不易引入新的杂质，通常以纯度较高V2O5或萃取法制备的硫酸氧钒为原料。化学还原法和电解法各有优缺点，需要根据具体情况择优选择。钒离子浓度对电池性能产生重要影响，需控制在合理浓度范围内。钒离子浓度变大，电解液能量密度提高，电压效率提高，但高浓度五价溶液在接近全充电态时会析出沉淀，降低电池的能量效率。另外，电解液中硫酸浓度也会显著影响钒离子的溶解度。当钒电解液中硫酸浓度增大，V5+/V4+和V3+/V2+氧化还原电对的氧化峰电流和还原峰电流均有所增大，低价钒离子溶解度随之降低。
温度影响电解液的稳定性，需增加额外控温单元。温度上限方面，从钒电池健康运行的角度来说，电解液最好不超过45℃。因为液流电池的电解液都是水溶液，45℃以上就有五价钒析出的风险，虽然不会立马析出，但这种风险必须要考虑。温度过高时，比如达到50℃以上，靠近正极部分电解液中会有五氧化二钒析出，进而堵塞管路，引起电堆失效等一系列问题。温度下限方面，零下二十度低温运行虽然没太大问题，但是低温下电池效率会降低很多。温度的问题主要通过集装箱增加温控单元来解决，也就是俗称的空调。高温会启动制冷机来冷却电解液，低温下只要电池启动后设备运行本身就会释放一部分热量，从而使电解液保持在合理的温度范围内，保障全钒液流电池始终处于平稳健康运行状态。当前电解液制备成本略高，以租代售模式或将推动产业化提速。钒的纯度也影响着电解液的性能，高纯度的钒原料（V2O5）往往造价很高，年价格在10万/吨以上。经过研究者研究发现，原则上只要纯度足够，就可以满足使用的需求。影响性能的杂质需控制在一定范围内，不影响性能的杂质多少对性能的影响可忽略。目前钒电池电解液的回收率较高，约为70%-80%，同时由于电解液的资金占有率偏高，部分机构提出以租代售的商业模式，引入一个资本方，作为电解液的拥有者，来减少电解液使用方的资金压力。年海螺公司创建电解液租赁商业模式并在安徽枞阳完成首单电解液采购及租赁服务。
现阶段电解液生产技术壁垒较高，参与布局的企业主要有大连融科、钒钛股份、河钢股份、星明能源等。其中大连融科在钒电解液领域的技术实力最为雄厚，建有全球规模最大的钒电解液生产线，现有电解液产能超过6万立方米，占据国内外市场份额的80%以上。全钒液流电池中，位于离子交换膜两侧电极材料是其中的核心组件之一，电极表面是全钒液流电池发生氧化还原反应的场所。结构设计上，电极流道由无流道型向分裂蛇形流道发展。电极流道对电堆的性能影响也较大，相比于传统蛇形和传统交叉形流道，交错蛇形流道中电解液一次性渗入、渗出，有利于降低浓差过电位，提高边界层传质系数，从而促进反应离子在边界层的传质。电极流道研究由无流道向平行、叉指、蛇形发展，再由普通蛇形向旋转蛇形流道、分裂蛇形流道发展。材料选型上，钒电池电极材料的研究主要集中在金属电极和碳素电极，碳素类电极更具成本优势。金属电极中被广泛
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