聊聊钒电池的优缺点和竞争对手

储能背景

在国家碳中和战略下，风、水、光伏发电既是绿色清洁的可再生能源，但也具有间歇性和波动性的特点，规模并网会对电力系统稳定运行造成冲击。

当前我国电网对电的要求是即发即用，经过电网传输到用户，用电器直接使用，经过的是源-网-荷三大环节，中间没有存储的环境。

因此这些新能源电集中式并网，实现平滑供电则需要借助储能技术，储能对于解决并网具有非常重要的意义。

储能方式

我国主要用的储能方式是两种，一种是抽水蓄能，另一种就是电池了。

抽水蓄能的限制很大，在水资源缺乏的地区，无法实现。那电池蓄能呢？锂电池的能量密度高，但安全性不适合进行大规模蓄能，而且使用寿命也有限，一般也就在4000-5000次充放电。换句话说锂电池最多用个10年就报废了，但一个水/风电站的寿命少则20年，多则50年。铅蓄电池和镍氢电池的能量密度更低，使用寿命还不如锂电池。

磷酸铁锂本质上也是锂电池，只不过相对来说锂含量比三元锂电池低一些，所以能量密度也低一些，安全性高一些。

解决方案

那解决储能问题的终极方法是什么呢？有两条路径，一条是通过电解水来生成氢气，再通过二氧化碳加氢气来制造汽油，同等重量下的汽油能量密度是锂电池的百倍以上。这点我们不在这里展开。

另一点就是通过液流电池来进行储能，液流电池体积大、能量密度低、不适合在电动车里使用。但安全性高、使用寿命能达到1万次以上（20年以上），非常适合风/电/光伏电站的储能使用。现在主流的方式就是用钒液流电池（下文统一称为钒电池）。

钒电池方案

钒电池优点：

1、安全性高、易扩容。

全钒液流电池电解质离子存在于水溶液中，不会发生热失控、燃烧和爆炸；同时，电堆、电解液相独立，可通过增大电堆功率和电解液来提高储电量，可扩展于百兆瓦级储能电站。

2、循环寿命长、易回收，全生命周期成本低。

钒电池寿命长，循环次数可达10000-20000次，整体使用寿命可超20年。由于钒在电解液仅发生价态变化，基本可以完全回收。钒电池全生命周期成本在0.3-0.4元/Wh，已经低于锂电池（0.5元/Wh）。

3、钒资源自主可控。

截至2021年底，中国钒资源储量占全球39％，产量占全球68％，均处全球第一。而锂资源中国储量占比仅7％，资源集中于智利（41％）、澳大利亚（25％）、阿根廷（10％）。发展钒电池，意味着我国在上游资源方面将具备更多的自主权。

钒电池缺点：

全钒液流电池能量密度较低，仅为12-40Wh/kg，远低于锂电池的80-300Wh/kg。同时，钒电池需要用泵来维持电解液的流动，因此其损耗较大，能量转化效率为70-75％，低于锂电池（90％）。

钠离子电池方案（非液流电池，钒电池的竞品）

钠离子电池优点：

1、 钠资源不稀缺

地球上钠离子储量为锂储量420倍，存量丰富。

2、 能量密度较高。

钠离子电池的能量密度仅次于锂电池，能量密度为 70-200Wh/kg。

3、 安全性高，高低温性能优异。

钠离子电池在高低温测试中均显示出较好的容量保持率。由于钠离子电池内阻略高导致瞬间发热量少，其在过充、过放、短路、针刺、挤压等测试中也未出现起火或爆炸，安全性和稳定性为钠电池开拓高寒和运输相关市场。

4、 快充优势显著，循环寿命长。

循环寿命方面，钠电池的理论循环可达到 10000 次，现阶段在 3000-6000 次左右，基本相当于磷酸铁锂电池，还支持快充。

钠离子电池缺点：

产业链不成熟和市场规模有限导致目前钠离子电池的制造成本较高。现阶段钠离子电池体系由于制备工艺不成熟、生产设备有待改善，导致生产效率较低、产品 一致性差、生产良率不高，生产成本一定程度上抵消了材料成本优势。以储能设备为例，目前钠离子电池的制造成本高于1元/Wh。

那钒电池和钠离子电池谁会笑到最后呢？

共存当然是一个趋势，那有没有另外的趋势呢？

有一个规律可以给我们启发：“凡是在电路中用来处理信息的元器件，比如存储器、传感器，它们的体积都可以伴随着摩尔定律指数下降；凡是在电路中用来处理能量的元器件，比如电池、电容器，它们的体积通常都很难大幅度缩小。在今天的科技领域，凡是看到跟能量相关的器件有了什么显著的进步，一般都是材料领域的创新。”

钒电池1993年开始商业化应用，29年，并未在能量密度上形成关键突破，钠离子电池2011年开始商业化应用，11年，目前能量密度已经翻倍。

PS：根据宁德时代的说法，钠离子电池在推广期的成本为0.5-0.7元/Wh，发展期0.3-0.5元/Wh，爆发期将降低到0.3元/Wh以下，有望依靠自身规模优势快速推广钠离子电池的应用。

磷酸铁锂与全钒液流电池谁更胜一筹？电化学储能之争引发热议

近年来，风电和光伏的发电成本显著下降，全球正朝着“新能源+储能”平价的方向快速发展。2021年起，全球储能行业进入高速发展阶段，全球新增储能装机规模10GW/22GWh，较2020年实现翻倍以上增长。截至2021年底，全球累计储能装机容量约为27GW/56GWh。考虑到2021年底全球累计风电/光伏装机规模已达到837/942GW，以此推算储能在全球风电光伏装机中的占比仅为1.5%，我们认为储能市场的高速增长才刚刚开始，行业发展前景广阔。

　　磷酸铁锂和全钒液流电池是电化学储能的两种载体，它们各自具有独特的优势和劣势。接下来将进一步分析这两种储能载体的性能。

　　一，全钒液流电池充放电原理

全钒液流电池是一种重要的大规模储能技术，基于金属钒元素的氧化还原可再生燃料电池，储能系统钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双极板收集和传导电流，从而使得存储在溶液中的化学能转换为电能，这个可逆的过程使钒电池顺利完成循环充、放电。

　　二，磷酸铁锂电池充放电原理

磷酸铁锂电池简称铁锂电池，采用橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子可以通过而电子不能通过，右边是由石墨组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。

　　电池的上下端之间是电解质，电池由金属外壳密闭封装。电池在充电时，正极中的锂离子通过聚合物隔膜向负极迁移。在放电过程中，负极中的锂离子通过隔膜向正极迁移，锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

充电时，锂离子在电场力的作用下，从磷酸铁锂晶体表面，进入电解液，穿过隔膜，再迁移到石墨晶体的表面，然后嵌入石墨晶格中。锂离子从磷酸铁锂脱嵌后，磷酸铁锂转化成磷酸铁，过程如上图：

放电时，锂离子从石墨晶体中脱嵌出来，进入电解液，穿过隔膜，迁移到磷酸铁锂晶体的表面，然后重新嵌入到磷酸铁锂的晶格内。过程如上图：

三，磷酸铁锂与全钒液流电池对比

储能电池类型

磷酸铁锂电池

全钒液流电池

安全性

使用高度易燃的有机电解液，存在热失控情形下的爆燃风险。

安全性高，采用水性溶液，不发生固相反应，避免自放电现象引起的起火爆炸。

电池结构

锂电池容量增长非线性，扩容边际成本高。

钒电池的电解液和电堆是相互独立的，因此钒电池设计灵活，可以按需组合、定制。

体积占比

体积小

体积是锂电池3-5倍

资源占比

中国锂矿资源储量占全球7%

中国钒资源储量占全球39%

成本

短期投资成本低

全生命周期内平均成本低于锂离子电池

能量密度

150-200Wh/kg

12-40Wh/kg

生命周期

单体电池100%深循环可达5000次。理论使用寿命可达10年

在不损坏电池的情况下进行深放电，循环次数≥13000次以上，电池使用寿命可达 15-20年。

四，总结

目前，锂电池的装机量在全国占比90%，但是，在大规模、大容量的储能需求场景中，钒电池蓄势待发。预计2030年长时储能装机量将达到150GW，国内钒电池累计新增24GW。日趋火热的市场和极具潜力的增长空间似乎正在逐步证明，钒电池或许真的有望引领储能的未来。

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