导 读  

液流电池根据其电解液中活性物质的不同，可以分为全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池、锌溴液流电池、全铁液流电池等。其中，全钒液流电池具有能量效率高、循环寿命长的优势，是目前商业化程度最高和技术成熟度最强的液流电池技术。

全钒液流电池所用的正极电解液为 V(Ⅴ)和 V(Ⅳ)离子溶液，负极电解液包括 V(Ⅲ)和 V(Ⅱ)离子溶液组成。电池充放电时发生的电极反应如下：

全钒液流电池优势有：（1）充放电性能好、能量效率高(>80%)、功率密度高；（2）循环寿命长，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；（3）去耦性好，储能容量与功率电池相对独立。（4）钒资源自主可控，根据 USGS（2023）的数据，截止 2022 年全球钒资源合计储量约 2600 万吨，其中中国储量为 950 万吨，占比 36.5%。

但仍有以下缺陷：（1）钒电解液成本约占据电池成本的 60%，初始投资门槛较高；（2）钒电解液对工作环境温度有要求，主要在 5℃~45℃范围，过高或者过低都需要辅助调节。

1. 钒电池产业链已初步形成，与锂电池错位竞争 

目前国内全钒液流电池的产业链已经逐步形成。上游主要涉及钒资源的开采与冶炼，主要企业有钒钛股份、攀钢集团、河钢集团、安宁股份等；中游则进行全钒液流电池储能系统的设计与制造，包括功率单元（电堆）与能量单元（电解液）两大部分，主要企业有国网英大、上海电气、中电兴发等；下游主要为储能项目的开发和运营。

钒液流电池的核心部件可以分为能量单元、功率单元和配套系统。其中，能量单元的核心是电解液，能够直接影响能量单元的性能与成本。功率单元由一定数量和规格的电堆串并联构成，其中单个电堆主要由离子交换膜、电极、双极板等关键部件构成。辅助单元主要包括电解液输送系统、温控、电力电子设备等，其核心在于系统的设计和集成。

从成本结构来看，全钒液流电池成本结构主要分为电解液、电堆等，根据中商产业研究院的数据，电解液、电堆成本占比分别为 40%、35%，其他设备占比 25%。

2. 能量单元

 2.1.钒原料端：国内钒资源储量丰富

全球超过 90%的钒应用于钢铁行业，此外在钛等有色金属、化工与催化剂领域也有应用。在全钒液流电池中，通常使用 V2O5作为电解质。

全球钒资源储量较为丰富，绝大部分赋存于钒铁磁铁矿中。随着近年来不断有新的钒矿资源被发现，全球钒矿储量也随之不断增长。根据 USGS（2023）数据，截至 2022 年全球钒资源储量合计超过 6300 万吨（折金属钒），其中已认定的钒资源中符合当前采掘生产要求的部分约为 2557 万吨。具体来看，中国、澳大利亚、俄罗斯与南非储量分别占比 37.2%、28.9%、19.6%、13.7%。

2.2.电解液：钒离子浓度为性能关键指标，残值高回收价值大

电解液是全钒液流电池（VRB）的能量存储介质，其稳定性对电池性能和循环寿命有很大的影响。钒电池的正极电解液为含有四价和五价钒离子的硫酸溶液，负极电解液为含有二价和三价钒离子的硫酸溶液。在对电池进行充、放电时，正负极电解液在离子交换膜两侧进行氧化还原反应。作为电能的存储介质，电解液的体积和浓度决定了全钒液流电池储能系统能够储存的最大能量；此外，电解液的纯度（一般需达到 99.9%以上）、稳定性、适用温度范围等因素也将对全钒液流电池的运行效率和寿命造成较大影响。

电解液是钒电池最大的成本来源，其占比约 40%。钒电解液降本能有效实现钒电池储能系统降本。

目前来看，钒电解液降本主要有两条路径：（1）进一步提升钒电解液的利用率：电解液的体积和浓度决定了全钒液流电池储能系统能够储存的最大能量，根据 ESPlaza 长时储能网的数据，电解液中五氧化二钒占成本的 2/3 以上，理论上储存 1kWh 的电能需要 5.6kg 五氧化二钒，但目前电解液的实际利用率仅能做到 70%，五氧化二钒用量约为 8kg，电解液利用率的提升将减少五氧化二钒用量，进而降低投资成本；（2）钒电解液的回收再利用：钒电池寿命到期后，钒电解液还可回收再利用，通过租赁电解液的方式能够有效降低电解液成本。如果能够促成制造-使用-回收的产业闭环，还可以进一步提高电解液的残值，钒电池全生命周期内的成本则可大幅降低。 

3. 功率单元

电堆的数量与大小决定了钒电池的功率水平。电堆是由多个单电池以叠加形式紧固形成的。单电池包括离子膜、电极、双极板等结构。

3.1.电极：碳素类材料是主流路线

电极在液流电池中扮演着至关重要的角色。与其他类型的电池相比，液流电池的电极具有独特的形态和功能。在液流电池中，储能活性物质以电解液的形式存储在外部的储罐中，电极本身则不含储能活性物质，因此不直接参与电化学反应。

电极的主要作用是为正负极的储能活性物质提供反应场所，促使电解液中的活性物质在电极-电解液界面进行电子的转移，从而实现电能与化学能之间的转换，并最终完成能量的存储或释放。此外，电极还起到导电回路的作用，确保载流子在电极表面进行离子和电子形式的转移，从而确保电池形成一个完整的闭合导电回路。

电极的材料性能直接影响电化学反应速率、电池内阻以及电解液的分布均匀性和扩散状态，进而影响电池的功率密度和能量转换效率。化学稳定性也直接影响电池的使用寿命。

全钒液流电池所应用的电极材料可分为金属类和碳素类两大类，碳素类是目前的主流路线。金属类电极材料包括 Au、Sn、Ti、Pt、Pt/Ti 等，具有高电导率和良好的机械性能，但其电化学可逆性能极差，成本较高，限制了规模化应用。而碳素类电极材料则包括碳毡和石墨毡，其由碳纤维构成，具有良好的机械强度和大表面积，可提高催化活性。碳毡或石墨毡通常来源于不同的碳纤维原料，其中聚丙烯腈基碳毡由于其导电性和表面活性优势，在商业化液流电池中应用较为广泛。

3.2.隔膜：离子交换膜国产化替代正当时

质子交换膜（PEM）是全钒液流电池的核心部件，其功能为隔离电解液、传输质子，保障电池完成充放电循环过程，质子交换膜对钒电池的可靠性和性能具有重要意义。理想的离子导电膜必须具备以下特点：低钒离子渗透率、低面积电阻、良好的机械、化学稳定性以及低制造成本。

根据材料不同，目前市面上可见的质子交换膜共 4 类：全氟磺酸型 PEM、部分含氟型 PEM、非氟型 PEM 及非树脂型 PEM。全氟磺酸膜因其化学稳定性好、质子传属性强，被广泛应用于钒电池系统。

国内全氟磺酸膜国产化替代加速。由于制备工艺复杂，技术要求高，全氟磺酸膜长期被以杜邦、旭硝子等美国以及日本企业所垄断。近年来，国内企业全氟磺酸膜的性能持续提升，有望加速进口替代。

3.3.双极板：倾向于使用碳基材料

全钒液流电池中，双极板是一个多功能组件。它以串联/并联的方式连接多个单电池，提供从 kW 到多 MW 的容量，防止电极之间的直接接触，促进充放电过程中的充电/收集，为电堆提供结构支持。

按照材料区分，全钒液流电池的双极板材料可以大致分为三类：金属基、石墨基、碳-聚合物复合材料。高腐蚀性钒电解液的使用严重限制了双极板发展的材料选择，金属材料由于在酸性溶液中降解严重，因此钒电池的双极板选择更倾向于碳基材料。