钒电池，是新能源汽车电池的未来吗？

1.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），也可以称为全钒液流电池，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。

2.钒电池电能以化学能的方式存储在电解液中

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体内，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，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。钒电池电解液包含溶解在硫酸中的 4 种不同氧化态钒离子，正极电解液含有钒(Ⅳ)和钒(Ⅴ)氧化还原对 ，负极电解液含有钒(Ⅱ)和钒 (Ⅲ)的氧化还原对。充电时，阳极 VO2+向 VO2+转换，阴极 V2+向 V3+转换；放电时，阳极 VO2+向 VO2+转换，阴极 V3+向 V2+转换。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。

3.钒电池由电堆、电解液、循环泵及其他结构性组件构成

全钒液流电池主要由电堆、电解液及循环泵等其他结构性部件构成，其中电堆主要包括离子交换膜、电极、双极板、垫片、集流板等。

（1）电堆

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。离子交换膜和电极是钒电池性能、成本优化的关键。

（2）电解液

电解液是钒电池材料成本的主要来源，占比 35%，工业领域多使用硫酸和 V2O5 作为钒电解液的原料，其技术路线是一种是基于电化学溶解的方式，在电解池的阴极将 V2O5 粉末溶于一定浓度的硫酸，电解池阳极电解液仅使用于阴极等浓度的硫酸，最终可得到四种不同价态的钒离子硫酸溶液。产业链的技术层面上，未来的发展趋势为通过改进电极、离子交换膜等设计来实现能量转化率的提升。据 IRENA 预测，全钒液流电池的能量转化效率预计将从 2016 年的 60% - 85%提高到 2030 年的 67% - 95%。

4.钒电池 VS 其他液流电池

液流电池主要有铁铬电池、全钒电池和锌溴电池等，不同液流电池技术路径基本类似，主要区别在于电解液中的活性物质不同，这也导致了电池性能上具有差异。

历史上铁铬液流电池发展最早，但其正负电极的离子类型不同，容易造成交叉污染，且反应可逆性较差，存在工作电压不稳定的问题。这些缺点导致铁铬电池后续研究趋于停滞，目前国内主要是国家电投集团仍在持续研发。

锌溴液流电池技术尚处于应用初期阶段。锌溴液流电池的问题主要在于充放电过程中锌枝晶易析出，导致电池容量衰减较快、使用寿命较低，同时液溴的挥发性、毒性、腐蚀性和易渗透性也降低了其安全性，因此在国内发展进度偏慢，目前最大投运项目为大连化物所的 5kW/5kWh 锌溴单液流电池储能示范系统；而海外虽然发展相对较快，如美国加州的 2MWh 锌溴液流电池储能项目，但整体的规模和技术成熟度均远不及钒电池。

综合来看，各液流电池中全钒液流电池安全性最高，循环寿命高达 16000 次以上，性能更为全面，目前已为液流电池中技术最为成熟的技术路径，实际项目的投运方面也大幅领先于铁铬液流电池和锌溴液流电池。

5.钒电池 VS 锂电池

钒电池等液流电池的工作原理不同于锂离子电池路径，其活性物质完全溶解在电解液中，通过电解液中正负极离子的价态变化来进行能量储存和释放。确保安全性的前提下，当前有望大规模发展应用的储能技术路径仅剩钒电池、磷酸铁锂电池以及钠离子电池；而此三者中，钒电池在安全性、扩容能力、循环寿命和全生命周期成本方面要显著优于磷酸铁锂电池和钠离子电池。

（1）安全性高

由于钒电池的电解液基质采用水性溶液，使用过程中没有固相反应，因此不存在起火、爆炸等风险；且过充过放也只会造成水的电解，通过将产生的氢气及时排出即可保证安全使用；平时电解液和电堆分开存放，也成功避免了自放电现象。

（2）扩容简单

钒电池能方便应用模块化管理，功率和容量可以单独设计，通过将多组储能单元并联接入母线，便可构建起更大规模的储能系统。因此扩容简单，相较于磷酸铁锂电池，在大容量的情形下不会增加额外的安全性风险。

（3）循环寿命长

目前商用钒电池循环寿命可以达到 16000 次以上，远高于商用磷酸铁锂电池的 6000 次，对应使用寿命超过 20 年，且可靠性也已经过实例验证。如加拿大 VRB Power Systems 商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过 9 年，充放循环寿命超过 18000 次。

（4）全生命周期成本较低

钒电池初始投资成本较高，但由于钒电池的循环寿命较长，因此在全生命周期成本方面有一定优势。当前钒电池储能项目的初始投资成本约 4~5 元/Wh，高于锂电池项目 1.5~2 元/Wh 的水平。不过由于钒电池循环次数长，故全生命周期度电成本约为 0.42~0.53 元/kWh，低于锂电池的 0.56~0.75 元/kWh。

钒电池凭借以上优点，完美适配中大型储能场景的要求；而磷酸铁锂电池的安全性和循环寿命低于钒电池，但能量密度显著更高，故在重量和体积上有优势，更适合于小型化场景。

另外，钠离子电池发展尚处于早期阶段，已投运的最新项目为 2021 年华阳集团与中科海钠在山西太原合作的 1MWh 钠离子电池储能系统。且即便后续钠离子电池技术成熟，由于其技术路径和锂电池较为类似，性能相近，故预计将主要在小型化和生活化场景对磷酸铁锂电池产生替代，对钒电池的威胁相对较小，未来在中大型储能领域的应用扩展仍有待验证。

因此，预计钒电池将在应用场景上与主流的锂电池路径发生差异化竞争，在中大型储能领域对现有的锂电池体系进行有效补充，而磷酸铁锂电池则更适用于小型化、生活化、用户侧等储能场景。

6.钒电池历史沿革及发展现状

（1）国际

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。

（2）国内

钒电池最早于 1985 年提出，经过 30 余年的发展研究，目前技术已逐渐成熟，被视为在中大型储能领域最具应用前景的电化学储能技术之一。中国对于钒电池的研究起步较早。早在 1995 年，中国工程物理研究院（绵阳九院）就已经成功建成 500W/1kW 的全钒液流电池样机，此后在 2006 年，中科院大连化学与物理研究所也建成了 10kW 的钒电池项目，电堆规模得到大幅提升。我国科研院所钒电池研发水平的提高推动了钒电池技术的发展，也促进了部分企业对商业化的早期尝试。北京普能、大连融科等钒电池企业相继于 2007 年和 2008 年成立，并专注于钒电池行业的技术推广和应用。

钒电池由于其安全性能突出以及循环寿命长，有望在储能领域发展为锂电池的“继任者”，近年来，面

向储能领域的国家级政策频出，大力支持储能钒电池进一步发展