2022年钒电池行业之电池材料深度报告 离子交换膜是钒电池关键构件

1.钒电池进入快速发展期

钒电池是较为先进、被广泛商用的液流电池

钒电池，即钒氧化还原液流电池（VRB），是一种较为先进、被广泛商用的基于金属钒元素的氧化还原液流电池。 液流电池是指由电堆（包含电极和离子交换膜）、电解液存储供给单元以及电池管理控制单元组成的电池类型，与其他电池 最主要的区别在于电解液的储存方式。工作时，正负极电解液分别从正、负极电解液储罐通过循环泵进入电堆的正负极单元， 然后再经管道分别回到正负极电解液储罐，完成循环。 在电堆内，正负极电解液活性物质均在电极上进行电化学反应，反应过程中只有价态变化而无相转化发生，正负极电解液通 过离子交换膜隔开并交换电荷。

钒电池技术及商业化能力掌握在少数国家手中

钒电池技术最早于1984年由澳大利亚新南威尔士大学提出并申请专利，经过三十多年发展，核心技术主要掌握在日本、中国、 澳大利亚、加拿大等国家。 日本是一个电力短缺的国家，并且有多年的集团化开发大型化学液流电池储能系统的经验。从1985年起, 日本住友电工(SEI) 与日本关西电力公司最早开始合作开发钒电池。之后，住友电工成为日本具备完整生产和组建钒电池系统全套技术的公司， 技术成熟度居世界首位。 北美主要以初创公司及小微企业为主，在美国能源部等支持下进行了全钒液流电池商业化推广。2021年，美国能源部宣布拨 款419万美元资助Largo公司进行高效全钒液流电池生产工艺的开发。

钒电池配置灵活，功率和容量具备加和性

钒电池的关键驱动因素包括其灵活性，耐久性，安全性，环境友好性以及全生命周期成本优势。配置灵活性：钒电池设计灵活，功率和容量独立设计。电池的输出功率由电堆大小决定，增加单电池数量和有 效面积，即可增加电堆功率；电池的容量大小由电解液的量决定，增加电解液的体积和浓度，即可增加电池容 量；可根据各种应用场所和领域的负载大小进行功率和容量的调节。对于大型新能源发电厂而言，增加能量存 储容量可以降低每千瓦时的均衡成本。

新型储能市场空间规模广大

据CNESA统计，截至2021年底，中国已投运电力储能项目累计装机规模46.1GW，占全球市场总规模的22%。其中，抽水 蓄能的累计装机规模为39.8GW，占比为86.3%，较去年同期下降3个百分点；市场增量主要来自新型储能，累计装机规模达 到5.73GW，同比增长75%，占比达12.5%。

随着电力市场的逐渐完善，储能供应链配套，新型储能凭借建设周期短、环境影响小、选址要求低等优势，在市场中将呈现 稳步、快速增长的趋势。据CNESA预测，保守场景下新型储能累计装机规模在2022-2026年的年均复合增长率为53.3%， 2026年将达到48.5GW ；理想场景下 ，在2022-2026年的年均复合增长率有望达到 69.2%，预计2026年累计规模将达到 79.5GW。

离子交换膜和电极是钒电池性能、成本优化的关键

电堆是钒电池的主体部分，在钒电池成本中占比35%，其核心在于离子交换膜、电极和双极板。离子交换膜用于阻隔正负极电 解液，选择性通过符合条件的粒子，既使得电路形成闭合，又阻碍了电解液间不同价态钒离子因交叉污染引起的自放电现象； 电极是电化学反应发生的场所；双极板表面刻印有流道从而降低系统内电解液流动的压力损失，降低泵功。

2.储能打开钒需求增长新空间

电解液是钒电池重要组分

电解液是钒电池的重要组分，占钒电池成本比例约40%。钒电池正极电解液由含有V5+和V4+离子的硫酸溶液组成，在溶液中的 存在形式为VO2+ 和VO2 +，负极电解液是由含有V2+和V3+离子的硫酸溶液组成。

由于V2O5溶解度小，不能直接由V2O5粉末溶解到酸性溶液中制备电解液。出于经济性考虑，工业上常采用电化学溶解法或 化学还原法助溶得到高浓度钒离子溶液。前者先将少量V2O5粉末溶于硫酸，通过外加电源和持续投料，最后在电解池阴极得 到等浓度的V（Ⅳ）和V（Ⅲ）溶液，可直接用于钒电池充放电循环。后者是将V2O5粉末混合于硫酸后，再加入草酸或水合肼 等还原剂，得到V（Ⅳ）溶液，单一价态溶液最后再通过电解获得不同价态的钒电池用电解液。

电解液上游原料主要为钒

电解液上游原料主要为钒，自然界中钒很难以单体形式存在，主要以钒矿的形式存在，钒矿是含有钒的矿物， 包括钒钛磁铁矿、含钒石煤、钾钒铀矿和石油伴生矿等。我国钒矿资源主要是钒钛磁铁矿和含钒石煤。

攀钢钒钛是国内钒产品龙头

国内企业的钒产品原料主要为副产炼钢的钒渣，产能规模较大的企业主要有攀钢钒钛、河钢集团承钢公司、北 京建龙重工、成渝钒钛以及四川德胜集团等，其中攀钢钒钛的产能为4万吨/年，位居全国第一。

龙佰等企业积极布局钒产品新产能

龙佰集团于2022年7月发布公告拟投资25亿元建设年产3万吨五氧化二钒创新示范工程，项目分期实施，一期建 设年产1.5万吨98% V2O5和360万吨铁精矿碱性球团；二期建设年产1.5万吨V2O5和360万吨铁精矿碱性球团， 最终达到年产3.0万吨98% V2O5和720万吨铁精矿碱性球团，建设周期31个月。陕西秦枫科技于2022年2月在陕西商南县举行年产1.1万吨五氧化二钒项目开工仪式，该项目拟投资8.9亿元。湖北工建集团于2021年4月在湖北宜都签约钒电材料生产及钒电池项目，总投资10亿元，一期建设年产3000吨 五氧化二钒生产线，二期建设年产6GWh钒电池生产线。

钒下游应用领域广泛

在现代工业中，钒铁和金属钒主要应用于钢铁冶金和航空航天行业；含钒化合物应用于化工和电池行业；钒元 素作为材料添加剂，可用于硬质合金、磁性、超导及核反应堆材料等；钒的氧化物及其化合物充当着色剂可有 效应用在玻璃和陶瓷工业；最后，作为新型领域，钒还用于生产钒电池、稀土钒、钒纳米和钒薄膜材料等高科 技材料。

3.离子交换膜是钒电池关键构件

离子交换膜是钒液流电池中的重要结构部件，其可以分隔阴阳极电解液，选择性地通过符合条件的粒子，既使得电路形成闭合， 又阻碍了电解液间不同价态钒离子因交叉污染引起的自放电现象。

钒氧化还原流电池的膜应该具有以下特性：①对钒离子和水分子的渗透率要低，降低自放电倾向；②对质子或选择性阴离子 （硫酸根离子）有高的传输能力，减小膜的电阻，降低因膜内阻造成的效率损失；③优良的循环稳定性和化学稳定性；④较低 的制造成本。

国外企业在质子交换膜市场仍占主导地位

质子交换膜由于制备工艺复杂，长期被杜邦、戈尔、旭硝子等美国和日本少数厂家垄断。 杜邦是全球最早开发并销售质子交换膜的企业，早在1962年就开发出性能优良的全氟磺酸型质子交换膜，即Nafion系列产品， 截至目前Nafion膜也是全球使用最广泛的。 目前，国外品牌全氟磺酸膜价格相对较高，以Nafion117为例，价格在500-1000美元/平方米；Nafion212价格在300-400美元/ 平方米，高价膜也一定程度抑制钒电池的推广。以东岳、科润为代表的国内企业也致力于质子交换膜的国产化，目前主要集中 在主流需求的全氟磺酸质子交换膜的生产以及技术攻关上。

钒电池用离子交换膜市场规模有望突破6 0亿元

据伟力得环评报告，每生产1MW的钒电池所需要消耗的离子交换膜约为830 m2，据我们测算，2021年钒液流电 池新增装机规模达到0.13GW ，消耗的离子交换膜达10.8万平方米，预计2026年钒液流电池新增装机规模达到 4.93GW ，消耗的离子交换膜将达到409.33万平方米,市场规模可达62.60亿元。

4.钒电池对电极性能有特殊要求

不同于传统锂电池电极的插层机理（电解液离子在电极层状结构的材料晶格中的可逆插层和脱出），全钒液流 电池的电极本身并不直接参与反应，仅在电极表面为电化学反应提供反应活性位点。电化学反应发生时，这些 活性位点有效降低了反应发生所需活化能，使电化学反应顺利进行。

全钒液流电池的电极材料需要具备以下特点：① 电极材料具有良好的化学稳定性，耐酸耐氧化，以确保电极具 有长的使用寿命；② 优越的电催化活性，可以提高电化学反应速度，即提高钒液流电池的倍率性能；③ 高比表 面积/有效电化学表面积，以保证电极与电解液充分接触，提高单位体积电解液电化学反应总量，即提高电解液 利用率；④ 良好的导电性能，可以降低电池内阻，减小充放电过程中的电化学极化。

较多中小厂商布局碳毡/石墨毡

碳毡和石墨毡均属碳纤维材料，该类材料具有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等 一系列其他材料所不可替代的优良性能。

目前，国内碳毡/石墨毡主要是纳科新材料、甘肃富莱、吉林神舟等尚未上市中小厂商进行布局，这些企业从主流碳纤维厂采 购碳纤维，并进一步深加工，制成碳毡/石墨毡销售给下游融科储能、上海电气等钒电池集成厂商。

钒电池装机量拉动碳毡市场规模

一方面随着钒电池市场增长，装机规模增加，碳毡需求将直线上升；另一方面，随着碳纤维整体需求上升，生 产规模不断扩大，碳毡单价有望得到向下调整。

据伟力得环评公告，每生产1MW的钒电池所需要消耗的碳毡约为1450m2 ，2021年钒液流电池新增装机规模达 到0.13GW ，消耗的碳毡达18.9万平方米，预计2026年钒液流电池新增装机规模达到4.93GW ，消耗的碳毡将 达到715.1万平方米,市场规模可达7.22亿元。

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编辑：999感冒灵