钒电池产业链逐步成型，投资价值初现
得益于前期经验积累和外部技术，中国的全钒液流电池技术研发和产业化进程大大加快，目前已成为该领域的全球主力。
全钒液流电池是液流电池中技术较为成熟、原材料更为可控、商业化进程领先的优选技术路线。
从技术路线产业化程度看——目前，全钒液流电池、铁铬液流电池这两个技术路线产业化程度领先。铁铬液流电池因为铬离子活性低、电池容量衰减快、电压等级和能量密度低等一系列技术问题困扰，产业化进程一直较慢。锌溴液流电池由于电池循环寿命短、电池效率低，以及溴化锌电解液中溴的金属腐蚀性，目前可能面临被淘汰的局面。目前国内做锌溴液流的公司比较少。
从关键原材料储备量看——地壳中钒资源总量小，但我国是全球目前已知钒储量最高的国家。根据美国地质调查局的数据显示，截至2022年全球钒资源储量合计超过6,300万吨（折金属钒），其中已认定的钒资源中符合当前采掘生产要求的部分约为2,557万吨。具体来看，中国、澳大利亚、俄罗斯与南非储量分别为950、740、500、350万吨，分别占比37.2%、28.9%、19.6%、13.7%。
据美国地质勘探局（USGS）矿产品2023年报告中显示，2022年全球铬矿产量约为4,100万吨。全球铬矿产量分布情况大致：南非占比44%、土耳其17%、哈萨克斯坦16%、印度10%、芬兰5%、其他8%。我国铬矿储量仅有407万吨，占全球储量比不到百分之一，对外依存度超过90%，为全球最大进口国。
不同于锂电池和铁铬液流电池存在严重的资源瓶颈或进口依赖，钒电池原材料高度自给可控，上游价格较为稳定，有利于我国能源安全。
全钒液流电池不仅在液流电池领域众多技术路线中脱颖而出，对比其他长时储能技术，全钒液流电池还具备更好的选址灵活度和显著的成本优势。
现阶段长时储能技术路线主要为抽水蓄能、熔盐储热、液流电池储能、压缩空气储能、氢储能以及产业链成熟的锂电池储能。其中，抽水蓄能作为传统储能方式，市场累计装机规模最高、经济性最好，但受选址条件限制，占比逐步降低；压缩空气储能在一定程度上仍受选址限制；熔盐储热及氢储能产业链尚不成熟，初始投资成本较高，转化效率较低，度电成本较高；锂电池储能产业链成熟，成本低，但安全性问题突出；与其他长时储能技术相比，钒电池在应用场景、储能时间尺度以及成本等方面综合优势突出。
表1：长时储能路线性能对比 资料来源：CNESA、公开资料，天风天睿制表
与主流锂电池对比，全钒液流电池具有安全性好、循环寿命长、功率与容量模块可拆分的优势。
据不完全统计，过去十年发生约50多起电化学储能爆炸事故。其中三元锂占事故总数的63.16%，主要原因是热失控。锂电池的优点是能量密度高，损失小，响应速度快；但其自身循环寿命不及液流电池，且固体电极导致的易燃问题对锂电池储能的商业化应用产生巨大挑战。
图5：近十年储能电站爆炸事故技术路径统计 资料来源：星球储能所、公开资料整理，天风天睿制图
全钒液流电池具备本征安全性。从原材料属性来看，锂电池电解液分别为六氟磷酸锂（LiPF6）的混合碳酸酯溶液，均为易燃物质；而钒电池采用水基电解液，无起火爆炸风险。从电池结构来看，锂电池正负极及电解液均共存于一个体系之中，当电池过充或处于低温环境下时会出现析锂现象，形成锂枝晶，易造成短路、带来热失控风险；而钒电池电解液独立储存于电解罐中，充放电时反应物可通过循环泵从电极表面快速抽离，可有效避免浓差极化和热积累效应，无热失控风险。
钒电池也具备更好的经济性。钒电池功率和容量相互独立，扩容性强，长时储能可降低边际成本。钒电池的电堆作为发生反应的场所与存放电解液的储罐分开，从根本上克服了传统电池的自放电现象，降低了其自身的损耗。钒电池的功率只取决于电堆大小，电池容量则只取决于电解液储量和浓度；当功率一定时，如要增加储能容量，只需要增大电解液储罐容积或提高电解液体积或浓度即可，而不需改变电堆大小，这增加了设计的灵活性。如要实现电池规模的扩展，可通过增大电堆功率和增加电堆数量来提高功率，以及通过增加电解液来提高储电量，该种方式可应用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站，具有更强的适应性。
钒电池还具备长循环寿命，达到了所有电化学储能技术之最。钒电池正负极均为钒离子，在充放电过程中可避免因离子穿过隔膜交叉污染导致的容量衰减问题。钒电池的循环寿命可达20,000+次，使用年限可达20年，而锂电池循环次数普遍在10,000次以下。
相比锂电池，钒电池多出的两个循环泵将产生额外的能量损耗，因此能量转化率较锂电池（80-90%）更低，约为65%-75%；但考虑到钒电池循环寿命远高于锂电池，故能量转换率偏低并不会显著降低钒电池全生命周期的经济性。
钒电池的运行温度区间较窄。钒电池最佳运行温度为0-45℃，窄于锂电池（-20-60℃）。当温度过低时，电解液凝固会影响电池正常运转；当温度过高时，正极五价钒会析出为五氧化二钒沉淀，造成流道堵塞、电堆性能恶化。为了降低热管理难度，钒电池充放电过程中电解液循环流动，电堆热量可直接通过输送管中的热交换器散热，可通过风冷方式进行温控。而锂电池储能系统涉及大量电芯，对热管理要求更高，主流温控路线为风冷或液冷：液冷为当前主流趋势，其胜在散热温差更低；风冷则具有结构简单、成本低、更易维护的优势。
钒电池产业链逐步成型，投资价值初现
目前全钒液流电池的技术成熟度逐渐提高，产业链逐步成型，处于导入期向成长期过渡阶段。其上游主要涉及各项原材料，包括五氧化二钒、全氟磺酸膜等；产业中游为电解液配制、电堆装配、控制系统等其他设备，其中电解液配置技术和电堆制造技术壁垒最高；下游储能主要应用于发电侧、电网侧以及用户侧，主要包括风光发电配储、电网调峰调频、户用、工商业以及独立储能等细分领域。
图6：全钒液流电池产业链 资料来源：公开资料整理，天风天睿制图
全钒液流电池由电解液、电堆和其他部件组成。其中电解液、电堆（隔膜、电极、双极板）是全钒液流电池的核心部件，其成本分别占总成本的四成左右。
图7：全钒液流电池成本构成 资料来源：iFinD、公开资料整理，天风天睿制图
全钒液流电池电解液主要原材料是钒金属，国内钒资源存储丰富，钒电池产业链有较好的资源基础，因此在大规模商业化应用上具有良好潜质。
目前，我国钒电池产业链的发展和投资机会更多集中于电解液、电堆、隔膜、电控系统等核心材料与部件的研发与应用。
电解液制备是能量密度关键
受电解液浓度的限制，钒电池的能量密度相对较低（12-40Wh/kg）。这使得钒电池更适用于对体积、质量能量密度要求不高，但对安全性要求更高的大型、长时储能电站应用场景，即静态储能领域，而非动力及移动电源等领域。
因此，电解液钒离子浓度成为了评价钒电池性能的关键指标，提高电解液浓度的方式包括更换电解质提升高浓度条件下的钒离子稳定性、使用含羧基和磺酸基团的添加剂来增加钒离子在高温条件下的稳定性等。此领域国内布局企业众多，其中不乏全球市占率达80%的全球最大钒电解液生产企业。
隔膜是功率密度关键
隔膜是决定全钒液流电池功率密度的关键因素。隔膜作为全钒液流电池的核心材料之一，其性能和成本直接决定了电池的性能、可靠性及系统成本。
隔膜将正负极电解液实现分隔，防止钒离子混合出现自放电现象，并通过选择性透过离子从而实现电池结构中完整回路的构建。
理想的全钒液流电池隔膜需要具备以下特征：（1）高选择透性，减少钒离子的跨膜运输导致自放电；（2）优异的化学稳定性，高机械强度，使得薄膜在酸性条件下的寿命长，从而增长电池寿命；（3）低电阻率，提高电池倍率性能；（4）低水通量，在充放电过程中，使得阴、阳两极电解液保持平衡；（5）加工生产成本低，有利于隔膜的广泛应用。
现阶段国内外普遍采用的是美国杜邦公司生产的Nafion膜，该膜具有耐腐蚀性和抗氧化的优点，其材料合成难度相对较小，但关键性的熔融挤出压延成型技术长期为国外垄断，导致成本高昂。国内的隔膜生产公司在开发中已经取得了一定成果，但其机械强度较杜邦公司仍有一定差距。
电极影响运行效率以及功率
液流电池中电极不参与到氧化还原反应，但提供了氧化还原反应的场所，影响全钒液流电池的功率。良好的电极材料会促进液流电池的充放电反应、增加电池结构的稳定性以及使用寿命，进而提高液流电池整体的运行效率以及输出功率。
良好的电极需要满足以下性能：（1）优异的导电性能；（2）突出的机械性能；（3）具有良好的结构特性；（4）成本优势及环境友好特性。
国内外钒电池电极主要采用碳素电极。碳素电极包括碳毡、石墨毡、玻碳、碳纸等。其中石墨毡和碳毡是钒电池电极的主流材料，主要因为其具有成本相对较低、稳定性好、导电能力突出、高比表面积等优点。目前，钒电池电极基本可实现国产化。
双极板支撑电堆结构
双极板串联相邻单电池的正负极，导通内电路，阻隔两侧电解液，支撑正负极，需要具备一定的机械强度、良好的导电性和耐腐蚀性。
钒电池双极板根据材质主要分为石墨双极板、金属双极板、碳素复合材料双极板等。石墨质脆，金属易腐蚀，因此，目前钒电池双极板主要采用碳素复合材料。碳素复合材料双极板碳含量越高，导电性能越强，但双极板韧性会变差，增加了电堆的组装压紧难度。目前，国内已有企业实现可焊接碳素复合板的批量化生产。
在构建以新能源为主体的新型电力系统的大背景下，储能将成为新型电力系统的一个基本要素。随着新能源发电占比逐步提升，长时储能对新型电力系统重要性将日益凸显，市场需求逐步释放。
全钒液流电池具有安全性高、循环寿命长、电解液可循环利用、生命周期性价比高、环境友好等诸多优势，正逐步开始商业化，是长时储能市场强力竞争者。我们认为，在电池系统、电解液制备、电堆效率提升以及隔膜制作等产业链关键环节具备核心技术优势的企业，将有机会实现快速发展。
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