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全钒液流电池，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。

全钒液流电池技术最早于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，功率和容量具备解耦性。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。

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，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：对钒离子和水分子的渗透率要低，降低自放电倾向；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；优良的循环稳定性和化学稳定性；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60亿元

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：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；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；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；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。