钒电池系列报告三：钒电池产业链研究：电解液和质子交换膜有望充分受益

本篇报告系统梳理了全钒液流电池全产业链的发展及上下游公司情况。 成本构成：电解液成本占比50%以上。全钒液流电池主要包括电解液、电堆、电控系统三大部分，随着充放电时长的增加，钒电池储能系统的电解液成本占比提升。4小时储能系统中电解液成本占比达到50%，时长越长，电解液占比越高。 电解液：2025年钒电池拉动五氧化二钒增量市场规模约61-129亿元。1GWh钒电池对五氧化二钒的单位用量约为8000吨。现在国内生产电解液的企业主要包括钒钛股份、河钢股份、湖南银峰等。我们预计2025年钒电池拉动的五氧化二钒需求分别为6.1万吨（悲观）和12.9万吨（乐观），假设五氧化二钒价格稳定在10万元/吨，对应市场规模分别为61亿元和129亿元。 质子交换膜：2025年钒电池拉动的市场规模约30-64亿元。质子交换膜的作用是允许氢离子通过的同时阻止正负极电解液不同价态的钒离子的混合，需要具备很高的化学稳定性及离子选择性，目前使用的主要是全氟磺酸树脂膜。质子交换膜国内仅有东岳集团、苏州科润等具备量产能力。我们预计2025年钒电池对质子交换膜的需求分别为152万（悲观）和320万平方米（乐观），假设2025年质子交换膜单价降至2000元 /m2 ，对应市场规模分别为30亿元和64亿元。 电极和双极板：碳材料为主要技术路线。电极是提供离子和电子交换的场所，但不参与氧化还原反应，目前主要是用碳素电极，主要材料为碳毡和石墨毡，生产企业包括辽宁金谷、江苏普向等。双极板是为了物理上隔绝双极板两侧的电解液互相渗透，在支撑整个电堆结构的同时串联单个电池，使电路流通。双极板的主要材料为碳/石墨材料、石墨基复合材料和金属双极板，复合材料使用的更多，目前生产石墨双极板的主要企业有易成新能等。 降本：技术进步和国产材料替代仍是重点。目前全钒液流电池最大的缺点为初装成本较高，但行业仍处于产业发展的初期，后续降本空间仍较大。降本空间主要体现在电解液和电堆这两个成本占比较高的部分，电解液方面可通过提高效率和租赁等方式降本，电堆方面可通过结构设计的优化和国产材料替代进行降本。 投资建议：基于成本、技术、市值弹性角度，我们看好：1）在钒资源及生产方面有优势且逐步布局钒电池相关产业链的企业，推荐钒钛股份，关注河钢股份、中核钛白、永泰能源等；2）在电堆的结构设计上有一定生产壁垒的环节，如质子交换膜等，建议关注东岳集团等。3）从市值弹性角度，推荐钒钛股份，关注河钢股份、东岳集团等。 风险分析：资源开发不及预期导致钒价上行风险，技术更新带来的降本不及预期。 1、全钒液流电池产业链梳理 作为全钒液流电池行业报告的第三篇，本篇报告系统梳理了全钒液流电池全产业链的发展现状及产业链上下游的公司情况，包括上游资源、中游部件制造和下游钒电池生产企业。 1.1、产业链各环节及公司梳理 全钒液流电池系统主要由电堆、电解液和其他部分组成。电解液充当正负极活性物质，主要为含钒离子的溶液；电堆充当电的反应场所，其中电堆核心零部件为电极、隔膜和双极板，还包括集流体、液流框等；其他部分包括BMS、PCS等电控系统以及泵和储存罐等。 图1：全钒液流电池结构图 目前产业链发展较为初期，多数环节由钒电池生产企业自行完成，主要形成了上游五氧化二钒的原料生产，中游各部件的配套和下游整装生产三大环节。主要的公司情况如下： （1）上游：上游主要为电解液原料五氧化二钒的生产，包括钒钛股份、河钢股份、川威集团、龙佰集团等。 （2）中游：电解液生产企业主要有大连博融（大连融科子公司）、湖南银峰、河钢股份等。电堆目前多数由钒电池生产企业内部供应，主要包括大连融科等钒电池企业；其中，质子交换膜生产企业主要有科慕（原杜邦）、东岳集团、苏州科润等；电极生产企业包括辽宁金谷等。其他的则为电控、电子系统以及储存罐等工程物件。 （3）下游：钒电池生产企业包括大连融科、北京普能、伟力得、武汉南瑞（国网英大）等。 图2：全钒液流电池产业链 1.2、各环节成本构成：时长越长，单位成本越低 4小时储能系统单价约3000元/kwh，时长越长成本越低 全钒液流电池的功率和容量相互独立，功率由电堆的规格和数量决定，容量由电解液的浓度和体积决定。当功率一定时，要增加储能容量（充放电时长），只需提高电解液体积、浓度即可，液流电池单位增加的成本低于其他系统电池。 大连化物所的张华民在《全钒液流电池的技术进展、不同储能时长系统的价格分析及展望》中测算了不同储能时长的全钒液流电池储能系统价格（融科储能2021年第三季度兆瓦级全钒液流电池储能系统价格）。除电解液以外的电池储能系统市场价格为6000元/kW，五氧化二钒10万元/吨时，电解液的价格约1500元/kWh。 当储能时长为1小时，储能系统价格为7500元/kwh。若储能时长为4小时，储能系统价格为3000元/kWh（非电解液部分系统成本由4小时分摊，储能系统价格为1500元/kWh，占比50%；电解液价格1500元/kwh，占比50%）。 若储能时长升为8小时，储能系统价格为2250元/kwh。储能时长越长，单位成本越低。 图3：不同时长储能系统的单位成本 2、产业链：电解液、膜为重要环节 2.1、电解液：成本占比约一半，2025年对钒需求拉动约50% 电解液是钒电池的关键材料，不同于锂离子电池，钒电池电解液直接充当电池系统的正负极。电池的正极电解液为含有四价和五价钒离子的硫酸溶液，为负极电解液为含有二价和三价钒离子的硫酸溶液。全钒液流电池的电解液是通过硫酸/盐酸和五氧化二钒混合得到高浓度的含钒溶液，再通过配方配制获得。据张华民2022年6月发表的《全钒液流电池的技术进展》测算，1Kwh电解液需要8kg高纯度的五氧化二钒。 图4：电解液制备流程 图5：钒电解液生产电解槽 五氧化二钒的主要来源于钒钛磁铁矿、石煤提钒、废催化剂原料等提取方式，目前国内主流的提钒方式是从钒钛磁铁矿炼钢过程中产生的钒渣中提取五氧化二钒（2020年占比约87%）。从事上游钒制品生产的公司包括钒钛股份、河钢股份等。 据百川盈孚，国内钒产品产能合计17.14万吨（2021年底），钒产品生产的前十大企业分别是钒钛股份、承德钒钛、成渝钒钛、承德建龙、四川德胜钒钛、达钢集团、五洲矿业、玉典钒业、虹京实业、宏发钒业。其中钒钛股份拥有4万吨五氧化二钒产能，河钢股份旗下的承德钒钛拥有钒产品折2.2万吨产能。 图6：中国钒产品原料结构（2020） 图7：中国主要钒产品生产企业产能（万吨/年） 同时，部分上游五氧化二钒的生产企业已经开始介入到电解液的生产当中，如钒钛股份与大连博融的合作，河钢股份与北京普能合作等。目前主要生产钒电解液的企业有湖南银峰、星明能源、大连博融、河钢股份等。 （1）湖南银峰：湖南银峰主要专注于新型大功率大容量储能产品—全钒液流氧化还原电池储能系统的研发、制造与商业化应用，产品包括电堆、电解液、电池管理系统和关键材料（隔膜、双机板、五氧化二钒）。公司拥有40余项核心专利，包括电解液制备、高纯钒冶金冶炼、核心电堆设计、系统集成设计等，公司官网显示其全资子公司江西银汇新能源的江西宜春年产6.6万 m3 钒电解液项目正在建设中。 （2）星明能源（川威集团）：星明能源为川威集团子公司，2011年开始钒电解液研发，已成功开发了两代钒电解液生产技术。公司专注于钒钛技术、钒电解液产品研发、生产和销售业务，主要产品有三氧化二钒、钒铁合金、钒氮合金、高纯五氧化二钒、钒电解液、钙钛精矿；川威集团官网显示星明能源拥有年产2000m3 钒电解液的生产线。 （3）大连博融：大连博融是国内第一家大规模生产钒电解液的企业。公司主要产品有氧化物、钒酸盐、钒电解液（钒浓度：1.5-2.0 mol/L）。公司已拥有年产1GWh的钒电解液生产线。2021年9月，钒钛股份已与大连博融签订《战略合作协议》。 （4）河钢股份：公司在投资者关系平台表示，2022年7月已建成1000吨/年钒电解液产线，预计2022-2025年分三期建设5万立/年电解液产线和300MW/年钒电池装备产线。 钒电池对五氧化二钒需求拉动的市场空间测算 我们以已外发报告《共享储能模式有望加速钒电池装机——钒电池行业报告系列二》中对钒电池装机规模的预测作为依据，测算对五氧化二钒的需求拉动。 在该报告中我们按照中国发电侧储能装机量测算了钒电池年新增装机规模的理论空间。 1）悲观假设下，2022-2025年钒电池的年新增装机功率分别为 0.4/0.8/1.3/1.9GW，对应4小时储能装机，对应的年新增装机容量分别为1.6/3.3/5.2/7.5GWh。 2）乐观假设下，2022-2025年钒电池的年新增装机功率分别为 0.5/1.3/2.4/4.0GW，对应4小时储能装机，对应的年新增装机容量分别为2.0/5.2/9.6/16.1GWh。 对应五氧化二钒的单耗，2025年钒电池拉动的五氧化二钒需求分别为6.1万吨（悲观）和12.9万吨（乐观），假设五氧化二钒价格稳定在10万元/吨，对应市场规模分别为61亿元和129亿元。 表1：钒电池装机规模对五氧化二钒需求的拉动测算 2.2、电堆：质子交换膜、电极、双极板为主要部件 电堆是发生电化学反应的场所，集成了电极、隔膜、双极板等材料组件，其密封设计、组装工艺等对于电池的可靠性、功率密度以及整体成本都有着至关重要的影响。电堆由多个单电池按照滤压机的方式叠合而成。目前生产钒电池的企业基本都是自己生产电堆，包括大连融科、北京普能、上海电气等。 电堆的主要结构包括质子交换膜、电极、双极板、铜集流板、液流框、端板及连接件等，其中质子交换膜、电极、双极板为主要的构成部分。 图8：大连化物所研发的电堆（2020年） 图9：电堆内部结构示意图 参照《乐山伟力得全钒液流电池储能系统智能生产线技改扩建项目环境影响报告》，1MW钒电池的电堆对各部件的用量为质子交换膜830平方米、石墨毡/碳毡1450平方米、双极板1000平方米，铜板（正负极集流体）、铝合金板（封装）、PE板（流道加工）、双色板（装饰）分别为70平方米、130平方米、3200平方米和130平方米。 图10：1MW钒电池电堆的各部件单位用量 2.2.1、质子交换膜 质子交换膜是电堆的重要组成部分，其作用是允许氢离子通过的同时，阻止正负极电解液中不同价态的钒离子的混合。理想的质子交换膜应该拥有高物理化学稳定性、低膜电阻、钒离子选择性高、高质子电导率、低水渗透率和低成本的特点。 按照离子交换团不同，钒电池质子交换膜可分为非离子导电膜（多空结构）和离子导电膜；按照化学成分不同，钒电池质子交换膜可以分为含氟类质子交换膜、非氟类质子交换膜。 图11：杜邦N117全氟磺酸树脂膜 图12：全氟磺化树脂合成过程 全氟类质子交换膜是最早产业化应用于液流电池的商用膜，现在主流的全氟磺酸膜（PFSA）由聚四氟乙烯（PTFE）的主链和全氟乙烯基醚的磺酸基构成，共同形成亲疏水分离结构，并且可在强酸强碱中稳定存在。 含氟类质子交换膜虽然有较好的耐酸耐碱性和质子电导率，但成本较高。近几年非氟化膜迅速发展，很多研究尝试使用碳氢化合物膜来替代含氟膜。由于磺酸基、羧基等基团的存在有利于隔膜传导质子，且该材料具有较好的物理化学稳定性，因此磺化芳香族化合物开始受到青睐。芳香族化合物主要包括聚醚醚酮（PEEK）、聚砜（PS）、聚苯并咪唑（PBI）和聚酰亚胺（PI），通过磺化的方法在芳香环中引入磺酸基可以使其具有较好的质子电导率。 在离子交换膜方面，目前全球钒电池主要使用的是科慕（原美国杜邦公司，于2015年7月与杜邦公司完成拆分）的Nafion全氟磺酸树脂交换膜，Nafion薄膜以磺酸基团为交换基团，作为全钒氧化还原液流电池的标准隔膜，其在电解液中的稳定性高，但价格昂贵。目前，国内的江苏科润新材料、东岳集团、亿华通旗下的上海神力、中科院大连化物所、国润储能等都自主创新开发了更低成本的膜，其中江苏科润新材料和东岳集团为专业膜生产商。