一、什么是全钒液流储能电池

全钒液流储能电池是一种基于液流电池技术的能量存储装置。它由两个电解质溶液，负极液和正极液，以及两个电极组成。其中，负极液和正极液都含有钒离子溶解在酸性电解质中。当需要储能时，电解质溶液通过电极流动，使得溶液中的钒离子发生氧化还原反应，释放或吸收电子，从而实现能量的转化和储存。全钒液流储能电池具有较高的能量密度、长寿命、高安全性等特点，被广泛应用于电网储能、可再生能源储能等领域。

二、钒电池电解液

根据理论计算，每1千瓦时（kWh）的电解液需要5.6千克的五氧化二钒V2O5，考虑到电解液利用率为70%，实际需要的V2O5约为8千克。因此，每1兆瓦时（MWh）的储能系统需要8000千克（8吨）的V2O5，而每1千兆瓦时（GWh）则需要8000吨的V2O5。按照目前每吨V2O5的成本为10-11万元计算，每1千瓦时的电解液成本约为1500元。据此反推，V2O5占电解液成本的比例大约在53.3%-58.7%之间 。

钒是一种具有高熔点和高沸点的金属，呈银灰色，在自然界中主要与各种矿物共生存在。其中，钒钛磁铁矿是全球钒储量的主要组成部分，占据了总储量的98%。每年全球都在不断发现新的钒矿储量，根据美国地质调查局（USGS）的统计数据，截至2022年，全球可用的钒资源储量已超过6300万吨（折算成金属钒）。目前，已确认符合采矿要求的钒资源约为2557万吨。以下是2022年底可开采的钒资源分布及矿产量的情况：

 
 

在中国，钒矿资源广泛分布于19个省市（区），主要集中在四川攀枝花地区和河北承德地区。中国的钒矿主要有两种形式，即钒钛磁铁矿和含钒石煤。其中，钒钛磁铁矿占总储量的53%，含钒石煤占总储量的47%。尽管储量比例如此，但中国约80%的钒产量来自于钒钛磁铁矿资源。以下以钒钛磁铁矿为例，介绍一下从钒矿中提取钒的工艺。参考智研咨询提供的资料，进行如下描述：

 

截至2021年，全球钒生产企业的总产能为28.3万吨/年（折合五氧化二钒）。其中，瑞士的嘉能可公司、巴西的Largo资源公司以及南非的布什维尔德矿业公司采用钒钛磁铁矿的直接提钒工艺。而国内的鞍钢、河钢等企业以及俄罗斯的Evraz等海外企业采用钒钛磁铁矿钒渣提钒工艺，这种工艺下，钒渣实际上是炼钢的副产品。根据这种工艺，钒渣可以用于提取钒。

下面分析五氧化二钒的供需情况，首先看看供应方面:

根据钒钛股份年报，2022 年全球钒产量（以 V2O5计）22.4 万吨左右，较 2021 年增长约 5%；国内产量约 14.2 万吨，较 2021 年增长约 2.9%。

综合多方面信息，2022年国内外产能及产量数据大致如下：

  

国内钒产业产区分布见下图：

 

上图主要了解四川和河北两个省份就可以，一个是以攀枝花为中心的10万吨产能区，一个是以承德为中心的4万吨产能区，截至2022年底，国内V2O5的产能约为17万吨，这两个地方就占了14万吨。

进口方面：我们已经在2017年底禁止包括钒渣在内的24种固体进口，所以钒原料方面进口主要就看五氧化二钒。从海关网站获得V2O5进出口数据如下：

 

从上表可见，除2020年（受疫情影响）外，国内一直是五氧化二钒（V2O5）的净出口国。

下表是目前已知V2O5的新增在建产能情况：

 

根据上面两个例子算了下，万吨产能的投资额大约8亿，建设周期1-2年。

供给方面说到这里，有两个要点，一是国内目前产能约17万吨/年，考虑新增产能，到2025年时产能可达21.4万吨/年；二是我国基本是V2O5的净出口国。

下面看看V2O5的需求情况：

借用智研咨询整理的钒产业链图谱：

 

从上图可以看出，钒主要是应用在钢铁、航空航天、储能等领域，其中钢铁占比超过90%，具体消费结构如下图：

 

结合上图消费结构，本文重点分析影响较大的钢铁领域应用和新形势下储能行业的需求增量。

钢铁行业是钒产品的主要消费领域，占据了90%以上的钒消耗量，因此，钒市场周期与钢铁周期基本同步。近年来，随着中国钢铁工业迅速发展和钢铁品种结构的调整，我国对钒的消耗总量也呈现结构性增长。就地区来看，中国已成为全球最大的钒消费国，但从单位吨钢消耗的角度来看，我国钢铁产品中钒的应用水平相对较低，低于世界平均水平，与工业发达国家相比仍存在一定差距。

下表结合国内粗钢产量，看看两者的关系（下表粗钢产量来自统计局数据，V2O5消耗量来自网络，后者不一定准确，但作为相对比较应该差不多）：

 

从上表也能看出，随着地产和建筑业下行，粗钢产量受到明显影响，在2020年达到顶点后，这两年呈下降趋势，每万吨粗钢大约对应约1.2吨V2O5。

根据国家规划，到2025年，电化学储能目标达到30GW，预计全钒液流储能占比15%，即约为4.5GW。按照4小时储能时长计算，相当于18GWh，对应的V2O5需求量约为14.4万吨（18GWh*8000吨/GWh）。根据之前的分析，以2022年的消耗量12万吨为基准，在存量消耗保持不变的情况下，预计2023-2025年每年新增消耗约5万吨。目前的产能约为17万吨，基本能满足需求。然而，考虑到消耗量不可能按照年度平均增长，并且存在一定的生产周期和安全库存需求，另外新增产能也需要1-2年才能投产，预计在2024-2025年可能出现V2O5供应短缺的情况。

上述估算基于电化学储能的发展和全钒液流储能的占比。根据2023年的情况和电网平衡性需求，预计这是一个大概率事件。而且，考虑到国内多数地区对储能时长要求可能会进一步提高，全钒液流的占比也有望提高。此外，还未考虑国外的需求，这也是一个潜在的变量。因此，全钒液流储能面临着潜在的供应挑战。

最后，综合看看由此可能带来的V2O5价格变化以及毛利预估：

V2O5目前价格不算便宜，下图根据海关数据，以出口价格为例，统计了2015年到2023年4月份的出口价格：

 

可见和碳酸锂一样，V2O5也不便宜，在2018年也曾经达到45万/吨的高位，目前主要在10-15万/吨波动。

根据钒钛股份2022年报中的产品销量和收入数据计算，全年平均售价约为11.83万/吨，毛利率为32.08%。如果按照12万/吨的价格计算，预计15万吨的销量将带来约180亿的收入，毛利约为57亿。然而，如果价格过高，如2018年的40万/吨以上，将会对下游需求产生不利影响。在没有其他技术进步的情况下，全钒液流电池可能会失去竞争力。因此，价格的过高可能对全钒液流电池产业带来挑战。

说完了V2O5，看看电解液自身，这部分技术含量需求还是很高的，其实电解液相当于电量容器，不管是浓度还是利用率，都有较大的提升空间，期待进一步的技术突破。当前国内全钒液流电解液产能集中度较高，大连博融现有市场份额占到80%，其余厂商包括湖南汇锋、四川星明等，涉及的上市公司比较少。

三、钒电池电堆

电池堆的核心材料包括隔膜、电极、双极板以及辅助材料如紧固件等。其中，隔膜在电池堆成本中所占比例超过50%。因此，本文主要分析隔膜，也被称为质子交换膜。质子交换膜位于有机氟化工产业链的末端，其上游是有机氟化工的单体材料，下游则涵盖了基于质子交换膜的氯碱工业、燃料电池、电解水、储能电池等应用领域。这些应用领域构成了质子交换膜的下游市场。

在液流电池中，隔膜用于分隔单个电池内的正负极电解液。理想的隔膜材料应具备较高的离子选择性、导电性、化学稳定性和机械强度等特性。在液流电池行业刚起步时，全钒液流电池主要采用美国科慕公司生产的全氟磺酸离子交换膜（Nafion）。Nafion薄膜在电解液中具有良好的稳定性，但成本较高，并存在钒离子渗透率较高等问题。

目前，国内一些企业已经取得了在液流电池中使用全氟磺酸膜的技术突破。这些产品在性能方面与进口产品相当，而价格仅为进口产品的三分之一。根据高工氢电的数据，截至2022年，国内市场上科慕的全氟磺酸树脂膜仍是主要的应用产品，其出货量占据了市场份额的77%。而国产的液流电池质子交换膜市场份额为23%。科润新材料和东岳未来是出货量前列的企业。此外，上海神力、中科院大连化物所、国润储能、聚能世纪等公司也进行了自主创新，开发了低成本的膜材料。这些进展表明国内在液流电池膜材料领域具备一定的自主研发能力。

近年来，由于氟化膜的价格较高，研发非氟化膜和多孔离子传导膜的工作逐渐增多。中科院大连化物研发团队致力于开发多孔离子传导膜，并不断进行技术迭代，已成功制备出具有较高离子选择性和电解液容量保持率的多孔膜。中科院的徐铜文教授和杨正金教授团队设计了一种新型离子膜，该膜具有贯通亚纳米离子通道的微孔框架结构，能够实现膜内近乎无摩擦的离子传导。使用这种膜组装的液流电池，电流密度可达到500mA/cm2。相关研究成果已在国际学术顶级期刊《Nature》上发表。非氟类质子交换膜的生产成本有望大幅降低，但其化学稳定性仍需改进，离实现产业化还需要一定的时间。基于这些进展，非氟化膜的应用前景非常有希望。

根据目前的实际情况，一个1MW的钒电池电堆大约需要830平方米的质子交换膜面积。根据之前提到的V2O5消耗量的估计，预计到2025年全球钒液流电池总装机容量将达到4.5GW，因此对应的质子交换膜需求量约为373.5万平方米。假设到2025年，国内质子交换膜的单价下降至2000元/平方米（目前杜邦生产的隔膜价格一般在10000元/平方米以上），则相应的市场规模约为75亿。根据这些数据，可以预见质子交换膜市场在2025年将有很大的发展潜力。