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还没搞懂锂、氢、钠,钒又来了
文章来源:开云体育 发布时间: 2022-10-04 浏览次数:8413145

   

新能源发展的主要主线之一是技术进步。正因为如此,我们的研究报告基本上涵盖了三元电池、磷酸铁锂电池、4680电池、氢燃料电池和钠离子电池。锂、氢、钠三种电池玩家相对清楚:不同类型的电池相互补充,共同推动新能源革命的浪潮。


但最近突然出现了新玩家钒电池,让不少投资者措手不及。


首先,我们以前没有听说过钒电池的消息,更不用说确定a股是否有纯目标了;其次,凭空出现的钒电池与氢、锂、钠不是同一个家庭元素。新能源真的越来越卷,炒化学元素周期表变成了随机游泳。难怪人们开玩笑说:投资新能源也需要问门捷列夫怎么想。


长期以来,在新能源的轨道上,我们的投资视角一直围绕着氢、锂、钠:氢燃料电池何时大规模生产;特斯拉4680电池即将到来,麒麟电池明年将增加;宁德时代发布了钠离子电池。对于这种奇怪的钒电池,让我们把它看作是一种黑色技术,直到这一波热度过去。


事实上,自20世纪60年代末第二次工业革命将人类带入电气时代以来,电力在人类社会变得不可或缺,电池技术的发展也深深融入到历史进程中。现在进入能源革命时代,电池技术的研发和创新已经成为能源转型的赢家。


本文作为新能源系列,也是钒电池的开头,将携手氢、锂、钠,了解钒电池的前世、今生和未来。


钒电池的来源是什么?


1.工作原理。


钒电池,全称为全钒氧化还原液流电池。乍一看,这长串的名字有点困惑。别担心,我们一个接一个地拆解它。


首先,所谓的全钒,字面上是因为电池的正负极是钒。磷酸铁锂电池的正极为磷酸铁锂,负极为石墨;铅酸电池的正极为二氧化铅,负极为铅。


二是氧化还原,我们很容易理解,即电池的基本原理。氧化还原反应的过程包括电子得失,电子运动形成电流。


第三,它被称为液流电池,是因为正负极都是液体。可以想象,正负极与电解质结合,电池能量直接储存在液体电解质中。当然,有结合就有分离,钒电池的电解质和电堆是分开的。


为了方便理解,让我们回顾一下锂电池。锂电池的正负极充满电解质,电池能量主要储存在固体电极材料中。这也是钒电池和锂电池之间最大的区别。


然后看看钒电池的工作过程。我们熟悉的摇椅式锂电池的工作原理是锂离子在摇椅的两端(正负极)来回奔跑,即完成充放电过程。钒电池不存在正负极,不需要跑得很远,只需要在自己的门前跑——正负极电解质按照既定路线流向,完成充放电过程。


2.钒电池结构特点。


由于钒电池的电解液和电堆相互独立,电解液单独存放在外部储罐中。此外,由于电解液不能单独流向电堆,因此需要通过外部泵和管道输送内部。


所以肉眼可以看出,钒电池是一个大块头。例如,如果锂电池是手机,钒电池就是座机。


常见的钒电池主要由储罐、电堆、循环泵和两个装有电解液的管道组成。如果将储罐与汽车油箱进行比较,电堆就是发动机。储罐中的电解液通过循环泵不断输送到电堆中,电堆负责充放电。


钒电池的另一个主要特点是设计灵活,可以根据需要组合和定制。你纠结于大杯、中杯或超大杯。


总的来说,钒电池的功率单元和容量单元是相互独立的解耦设计。储罐中的电解质决定电池容量,电池的大小和数量决定电池的输出功率。也就是说,为了增加电池容量,电解液储罐的数量相应增加;为了提高输出功率,只要增加电池的数量就可以实现。这和火车的设计很像吗?如果你想吸引更多的乘客,增加车厢的数量;如果你想增加马力,换上大功率的火车头。


以融科储能钒电池储能系统为例,250kW钒电池系统由功率集装箱(20英尺)、2个外部储罐、电池管理系统和管道组成。如果你需要500kW钒电池系统怎么办?串联两个功率集装箱后,增加两个外部储罐,连接500kW变流器。


以此类推,钒电池可以组合成更大的电池组,其输出功率可以达到数百兆瓦,可以储存数十万度的电力。看到这里,你觉得钒电池不是无用的吗。


3.钒电池的运行优势。


1)安全性好。


钒电池中使用的正负极电解液是极不易燃的无机水溶液(下一章将重点介绍)。它有多安全?即使正负极电解液意外混合,也不用担心。我们都是钒离子家族(正极电解液为5价钒和4价钒,负极电解液为3价钒和2价钒),不可能打架。


有人想问,电池运行过程中温度过高怎么办?事实上,钒电池和锂电池、钠离子电池一样,在充放电过程中也会产生热量。然而,在钒电池的充放电过程中,电解质是循环的,堆内产生的热量很容易通过管道上的换热器散热。


因此,钒电池热管理系统成本低,设计维护方便。热管理一般采用直接冷却或空冷的方式,类似于汽车发动机舱内的冷却系统。当电解质温度上升到一定程度时,冷却系统启动,以保持电池系统在最高效的温度范围内运行。


2)电池一致性好。


对于单个电池,如内置电池或两轮电动汽车,不需要过多考虑电池均匀性,但如果是由大量电池串联组成的电池组系统,电池一致性可能成为一个重要的指标。


一般来说,一辆使用方形电池组的电动汽车有100多个电池,而特斯拉使用的圆柱形电池有数千个电池。随着电池充放电的运行,单个电池的内阻、充电状态和温度会发生不同程度的变化,导致差异逐渐增大,增加了电池系统安全可靠运行的风险。因此,锂电池企业在制造过程中不断提高电池的一致性。


对于钒电池,电解质溶液总是循环流动,正负极电解质从各自的储罐容器中提取,最后进入堆时自然状态相同,自然一致性好。


3)使用寿命长。


首先,直接得出结论,钒电池寿命很长。它是如何实现的?由于钒电池的电解质在充放电时不会像其他大多数电池那样发生物相变化(注:不会产生新物质,总是钒离子,只是不同的价格状态),电池容量损失很小,因此钒电池的寿命往往超过十年。


在此期间,当电池长期使用,其性能下降时,可以通过修复电解质活性来恢复一定的性能。如果钒电池系统的最终寿命到期,电解质仍不会浪费,可应用于新的电池系统或钒资源,最终实现电解质的回收。


02、现有的氢、锂、钠,钒电池有什么用途?


到目前为止,我们已经熟悉钒电池的特点——安全性高,循环寿命长,容易扩展,对环境友好。但在我们的日常生活中,几乎没有钒电池。


从根本上缺点也很明显——体积大、能量密度低、成本高。


特别是电解质和电堆分离设计造成的大面积确实是一个严重的伤害。这显然与我们的日常使用场景不相容:手机、家用电器等电池要求越小越好,甚至电动巴士的底盘也渴望安装更多的电池。


为什么能量密度低?事实上,这是由出身决定的。钒电池的电解液储存在罐子里,占用了很大的空间。同时,需要泵来维持电解液的流动,这也造成了大量的能量损失。目前,钒电池的能量转化效率为70-75%,远低于锂电池(90%)。同时,钒离子溶解度低,正负极电解液达不到理想的高浓度。


最后,由于上述因素的叠加,钒电池的能量密度有点低,只有12-40Wh/kg。这个概念是什么?能量密度低于铅酸电池,铅酸电池因其笨重而受到批评。


与锂电池相比,钒电池的体积一般是锂电池的5倍以上。因此,我们也可以得出结论,智能手机、便携式家用电器和其他消费品根本不是钒电池的菜肴。那些想摩擦一波热点,认为钒电池动摇锂电池的地位显然是片面的,毕竟,它们根本不在同一条跑道上。


然后看看成本。钒电池初始安装成本高可以说是钒电池最大的缺点,也是制约行业发展的一大痛点。目前,钒电池的价格仍是锂离子电池的两倍以上,与成熟铅酸电池相比没有价格优势。


在这里,一定有很多人看不见,因为钒电池体积大,能量密度低的问题基本上没有解决办法,大多数使用场景都被拒绝了。为什么资本市场要把钒电池放在桌面上,这真的是一波投机浪潮吗?


中国有句名言:尺子短,寸长。与锂电池等轻便灵活的移动硬盘相比,钒电池更像是大容量的硬盘。钒电池具有大规模、高安全、长寿命的技术优势,可在大规模、大容量场景中发挥比较优势。最典型的应用场景是支持风电和光伏的储能。


在成本方面,我们认为钒电池在这个阶段确实比锂电池贵得多。但要看技术的前景,也要看未来的成本下降空间,是否可以由技术改进和规模驱动。客观地说,锂电池在过去也遇到了高成本的问题。现在钠离子电池和氢燃料电池也面临着高成本的问题。


回顾历史,钒电池技术的研究、开发和应用始于20世纪80年代,早在1988年,澳大利亚新南威尔士大学就开发了1kW钒电池系统。可以说,钒电池是与锂电池和燃料电池同时代的技术。然而,1991年锂电池商业化后,锂电池以能量密度高、体积小的特点率先出圈,然后一路摇摆。钒电池由于应用场景有限,一直相对不受欢迎。


归根结底,我们过去一直需要的是更轻、更高能量密度的电池,没有多少场景需要大容量电池,所以钒电池的长板是无用的。然而,随着能源革命和可再生能源电力的增加,我们对大容量存储的需求越来越高,钒电池回到轨道符合客观规律。


与手机和电动汽车不同,储能电站对能量密度和占地面积没有太大要求。相比之下,储能电站更注重电池寿命、安全性和使用成本。例如,占储能最大份额的抽水蓄能电站一般使用20年甚至50年以上。根据国家能源局今年6月发布的《预防电力生产事故25项重点要求(草案)》,中大型电化学储能电站不得使用三元锂电池和钠硫电池。


事实上,近年来,钒电池在中国越来越受到重视。越来越多的机构从事钒电池储能技术研究和产业发展,包括:中国科学院大连化学研究所、大连金融储能公司、北京普能、武汉南瑞等。其中,大连化学研究所和金融储能公司在基础研发、产品设计、技术应用和工业化进程方面处于世界前列。


也就是说,被扫进垃圾堆的钒电池意外地搭上了储能快车。


今年5月,在辽宁大连,一个超大型钒电池储能电站迎来并网运行。该电站是大连液流电池储能峰值调节电站国家示范项目的第一阶段。716个灰色电解质储罐可储存400兆瓦时电量,即40万千瓦时电量,可供应近2000个家庭一个月。目前,它是世界上最大的液流电池储电站,被称为储能之王。第二阶段项目投入运行后,储能能力可翻倍至80万千瓦时。乐观地说,钒电池技术的大规模应用已进入快车道。


另一方面,电池的三个指标:能量密度、安全性和寿命,就像经济学中的不可能的三角形一样,世界上很难有绝对完美的电池。所以我们不能捡西瓜扔芝麻,而是根据每个产品的特点,利用它的优势,充分利用事物。


从电池材料资源的角度来看,有了锂电池,我们还需要想办法好好利用氢燃料电池、钠离子电池和钒电池。这样,电池企业就不需要聚集在一种材料上,担心原材料价格的上涨。据USGS统计,截至2021年底,全球已确定符合当前采矿生产要求的钒矿储量超过2400万吨,其中我国钒矿储量约950万,占39.6%,居世界第一。像钠离子一样,钒电池也不用担心被原料卡住。


03、能否与锂电池、燃料电池、钠电池并肩起舞?


目前,该行业已充分认识到钒电池的大容量存储能力和安全性。这可以归功于钒电池的固有优势。但在未来,与锂电池共舞需要后天的不懈努力。(燃料电池和钠离子电池也有类似的生长逻辑)


其次,整个钒电池产业链应加快电池关键材料的研发、电堆设计制造、系统集成技术等方面的快速发展。


1.电解液。


电解液不仅是钒电池的重要组成部分,也是成本的主要组成部分,约占钒电池总成本的40%。换句话说,电解液的成本能否降低成为钒电池成本降低的关键。


对于钒资源,中国不仅储量第一,产量也是世界第一,占68%,资源可以完全自给自足。这是中国发展钒电池的独特优势。目前国内钒资源企业主要包括攀钢钒钛、河钢承钢、安宁股份、西部矿业等。其中,攀钢钒钛也是世界上最大的产能企业。


随着钒电池需求的增加,攀钢钒钛、河钢等钒资源企业正在积极投资。


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