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钒电进入快速发展期,上游材料迎新机遇
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2022-08-02 17:55:32
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未来智库

2022-08-01 15:30安徽优质财经领域创作者
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(报告出品方/作者:国海证券,李永磊、董伯骏、汤永俊)

钒电进入快速发展期

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。

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。

质子交换膜迎来新应用

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。

碳毡电极带动碳纤维需求增长

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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