2023年钠离子电池和全钒液流电池发展分析.docx

2023年钠离子电池和全帆液流电池发展分析钠离子电池本质是在充放电过程中由钠离子在正负极间嵌入脱出实现电荷转移，与锂离子电池的工作原理类似钠离子电池充电时，Na+从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程与之相反，Na+从负极脱出，经由电解液穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。为保持电荷的平衡，充放电过程中有相同数量的电子经外电路传递，与Na+一起在正负极间迁移，使正负极分别发生氧化和还原反应。与锋离子电池类似，钠离子电池同样拥有正极、负极、隔膜和电解液四大部分，但材料相差较大，仅有隔膜无明显变化。目前钠离子电池处于示范应用阶段。1）正极：按正极材料分，钠离子电池主要有层状氧化物、隧道型氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子型化合物体系，目前中科海钠采用层状金属氧化物作为正极，宁德时代采用普鲁士白（普鲁士蓝的一种）和层状氧化物。5<>t<tC<H膝性好"也"工力电径$M«<H#R”*v<t<nwCA险育度JititM-A3也aftt<4l<H*Jl<K.点*<X电fAiVttftMA薛仓争"ItS*Xf>tA<<>ts*e*|+电*才*，LJI：很母*<MJft«K<«H).il<<<W负极：一般具有嵌入钠离子能力高，体积变形小、扩散通道好、化学稳定性高等特点。锂电池主要使用石墨作为负极材料，而钠离子电池负极可以选取过渡金属氧化物、合金材料、无定型碳等。隔膜：钠离子电池与锂离子电池可以通用主流隔膜类型。电解液：主要为六氟磷酸钠，比裸电池电解液所使用的六氟磷酸裸价格更低；同锂离子电池一样，钠离子电池也可兼容固态电解质。集流体：是汇集电流的结构或零件，也是钠离子电池成本低于锂离子电池的主要原因之一钠离子电池的正负极集流体可使用铝箔。对应锂离子集流体，成本可下降7%-9%。表34：伯高子与任离子电池材料体系对比KN于电池*Y离于电也正机*4<Mtt.瀛帖M号攸候M俅三亡体桌.OK体金.<*«.<.#鲁士量美化拿物学*板*科/臭什科、金属Il化构、4*材料电液¼c<<tr六A4收物Mtt尤农化Jttft集*体X箔fM*4:中科冷MrM.<*tit*H发中心能量密度较低，但安全性更高，降本空间大技术性能方面，钠离子电池能量密度和循环寿命均次于锂离子电池。钠离子电池的能量密度在100-150Whkg,与磷酸铁锂电池的能量密度仍存在一定差距。其次，目前钠离子电池循环次数普遍在2000次左右，较悝离子电池低30%左右，主要是由于钠离子半径较锂离子大，反应过程中嵌入脱出难度大。储能时长方面与锂离子基本相似，主要应用于4小时以内的储能系统。钠离子电池材料成本较磷酸铁锂可下降30%-40%。根据中科海纳，若钠离子电池选用NaCUFeMno/软碳体系，锂离子电池选用磷酸铁锂/石墨体系，则钠离子电池材料成本较磷酸铁锂可下降30%-40%,单体电池成本发展期约为0.305元/WhIB49:#l离子电池与依离子电池材1+成本比较H¼ a*MWM A >Mt &停 BXtt*£:fW4*<H.*ii<*<<+y钠离子电池原材料丰度高，提炼工艺简单。钠元素在地壳中丰度为2.75%,显著高于锂元素的0.0065%,是锂资源的400多倍；此外，不同于锂资源，钠资源分布平均，提炼工艺较为简单，避免资源卡脖子问题。钠离子电池安全性更高，耐热耐冷性能好于锂离子电池钠离子电池内阻比锂电池高，在短路的情况下瞬时发热量少，热失控温度高于理电池，具备更高的安全性。另一方面，锂离子电池可正常工作的温度区间为040°C,钠离子电池为-40。C到80,耐热耐冷性能。表35：M西子电也与tr禺子电宜支奏相乐时比IH¼<新得十电*X27$*00065%知雪金*7%A<MKnrts<4小*<4小片att犀次M2000*3000000fttt<(MAg)100-15<WMiq130-20WWkQ(MltMff)电“"*&：02S0XVh电tfd0305tm睡堆<.书姓&X*氏晶.t0<.KA工E得单.-tfl«#f44*.曾*根.臭分"*<W<KK<A.«>#履纣；RFIltM电;.*4Mt“"*夕，文&1八哥¥，抬.XIMStMKA.<Adtfltl*0<l兔十JLt电收A.<Mi冷tTMfK*$.用x*<积极关注产业链上下游公司能量密度提升是锂离子电池的创新趋势之一。正极材料中目前具有潜在商业化价值的有普鲁士白和层状氧化物两类材料，克容量己经达到了16OmAh/g,与现有的锋离子电池正极材料接近。负极材料中，硬碳材料是最有前景的钠离子电池负极材料。硬碳材料具有丰富的碳源、低成本、且无毒环保，克容量（35OmAh/g）已基本与石墨材料（约36OmAh/g）接近。产业链建设方面，三重需求的叠加带动下，钠离子电池产业化进程有望加速以降低成本。钠离子龙头企业表示将在2023年基本形成产业链。未来钠离子电池产业锌成熟后，可与锂离子电池形成互补。除了应用于储能领域，钠离子电池还可以应用于电动两轮车和低端电动车。因此未来对于钠离子电池的市场需求不仅仅由储能带动。在三重需求的叠加带动下，可能加速钠离子电池的产业化进程。A36：MfttftttSH'i4*iAXW20W*M4fLM6t<*<4kMHftct4tAKltWAMKMtdia*RX2021年*a干$MKtH#fH«.»H.*tf*#-«#*!t<.4Ttl<lC*t<*<l*flfttfl*H45a¼H仿1*MaT电*q*6H,4,NKJIT电W£户0城Itet纤.*或U*±-寿射9±也名鱼夕.*壮丈寸金可彳好-ftfA&“金句抬二抬也*攸从*侵公&.MMtMtt2007.4物翕于电急得F电包2GWftt2022»*<tt<4<*KW<<工*l*+X.*f2023*C*2GWh*<*>.mGWh*¾*ft.><M6MM4ft<*<<t<<HM>it<l.*2017FSMa十电启Al司寸他£U已足14WV>o.2019f6<A«<H<ttMttMX12*UW350mAQ人上AMW¼A.tt*中"叶秋20114炳*十电*16OmAhlg.电做f曹电西16CMn«.已f£f电Cft*.2023*<w<a.<tM<2018MMft-A*4tt<H*t<t.<tfit-.4fMftttftAtHtKM处方9白靖力，状霖中电QCfHt化户.Farad*on2011身香*A<vTKMtJtM.-KfH.H户州"舄子电丸得位，.包立发20M.4t4-f<A6t2021<tfK-M*f电itA*SW小“.f：*4Q.S*wJf全机液流电池：长时储能领域优势显著利用帆离子化合价变化实现充放电全帆液流电池目前是产业链建设和技术成熟度最高的液流电池技术。液流电池是一种活性物质存在于液态电解质中的电池技术，电解液在电堆外部，在循环泵的推动下流经电堆，实现化学能与电能的转换。根据正负极电解质溶液中活性电对种类的不同，液流电池可分为铁培液流电池、锌漠液流电池、全铁液流电池、全钢液流电池等。其中全执液流电池正负极氧化还原电对的电化学反应动力学良好，在无外加催化剂的情况下即可达到较高的功率密度。而且该电池在运行过程中无明显析氢、析氧副反应，具有优良的可靠性。因此，全凯液流电池技术得到了长足的发展，已进入大规模商业示范运行和市场开拓阶段。ffi50：浓汰,电池不同体*MitKF*CrNASAZfVbaMd AMOn fM!W V-PalybM* Aok battertM flow battery PS8. Am<t UNSW1*74Im*aS9nfa*n flow Mtenw OrgBfwcMragerac f 的HMHA rs电修NASAIAmwfmrzIvfe少V电鼻JUNSW1*!<IK7PSBt化川*电,(JjC伞fQOXXPSCkMt*AKrWTEMPOMKtfTW*MXtat*««*AH«V*«*«fK«<*«声“«4：*沿*¥（A<ft¼"fC>t*>.*»*!<f-全帆液流电池是液流电池中唯一一种活性物质单一的电池，利用孤离子化合价的变化来实现电能的储存和释放全机液流电池系统由功率单元（电堆），能量单元（电解液和电解液储罐），电解液输送单元（管路、阀、泵、传感器等辅助部件）以及电池管理系统等组成。其中，电堆由离子交换膜、电极、双极板、电极框、密封等材料构成.全供液流电池将具有不同价态的凯离子溶液作为正极和负极的活性物质，分别储存在正负极的电解液储罐中。充放电时，在泵的作用下，电解液由电解液储罐分别循环流经电池的正极室和负极室，在电极表面发生氧化和还原反应，实现对电池的充放电。Ifl51:仝仅4渣.电池?1构示：tie安全、可循环，适用于长时储能优势:全帆液流电池具有安全性高、储能规模大、充放电循环寿命长、电解液可循环利用、生命周期中性价比高、环境友好等优点.1）全钢液流电池安全性高，运行可靠，电解液可重复利用，对环境友好.全机液流电池电解液为机离子的硫酸水溶液，只要控制充放电截至电压并保持存放空间通风良好便不存在爆炸风险。电池中正、负极电解液储能活性物质同为供离子，不会发生储能容量的不可逆衰减，常年运行造成的容量衰减可以通过在线或离线再生反复循环利用。同时当全机液流电池废弃时，电堆和系统的主要原材料为碳材料、塑料和金属材料，环境负荷小。大连融科储能技术发展有限公司2012年12月在辽宁省法库国电龙源卧牛石50MW风电场建设的5MW/10MWh储能电站运行了近9年时，储能容量有所衰减，经过在线恢复后，储能容量恢复到了IOMWho2）输出功率和储能容量相互独立，适用于大规模、大容量、长时储能，全机液流电池储能系统的输出功率由电堆的大小和数量决定，通常在数百瓦至数百兆瓦；储能容量由电解液的体积决定，通常在在数百千瓦时至数百兆瓦时。增大电堆电极面积和电堆数量就可增加输出功率:增加电解液的体积可以增加储能容量。适合于需要大规模、大容量、长时间储能装备的应用场合。ffl52:全机支液电池祷能.系统的输出功军信版容量可收立设计电擒。MMHWM¼TM+±933才片拿4：*M.<K4te*KK<<kRttft*tKfH,*M<*<>.。停U*“W申，一全帆液流电池储能时长越长，单位容量价格越便宜，性价比高，是长时储能技术的最佳选择。根据张华民全供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，除电解液外的电池储能价格为1500元/kWh。当储能时长为Ih系统的市场价格为6000元kW。当储能时长为1h,不包括电解液的储能系统的价格为6000元kW,加上电解液的价格1500元/kWh,储能系统的总价格是7500元/kWh。当储能时长为4h的以后，不包括电解液的储能系统价格每小时分摊1500元，储能系统的总价格就是3000元/kWh。同样地，如果储能时长分别为8h和IOh储能系统的总价格2250元/kWh和2100元/kWh。可以明显看出，由于全帆液流电池的输出功率和储能容量可以相互独立，储能时长越长，价格越便宜。Ifi53:不同储能时长全机液流电池佛能系统的价格*«*:»f,（W.Ai<.tA*M*.4*.不典t*叶*用窿的侍*G*'X*>.<<H<<3）能量转换效率高，启动速度快，无相变化，充放电状态切换响应迅速全机液流电池在室温条件下运行，电解质溶液在电解液储罐和电堆之间循环流动,在充、放电过程中没有相变化。所以，充放电状态切换响应迅速，既可用于调幅调频、可再生能源并网，又可用于辅助服务、电网调峰及紧急备用储能电站。4）全帆液流电池储能系统采用模块化设计，易于系统集成和规模放大。全机液流电池电堆是由多个单电池按压滤机方式叠合而成的。目前，产业化的单体电堆的额定输出功率一般在3080kW。储能系统通常是由多个单元储能系统模块组成，单元储能系统模块额定输出功率一般在50OkW左右。与其他电池相比，全机液流电池电堆和电池单元储能系统模块额定输出功率大，均匀性好，易于集成和规模放大。1854：大连2MW800MWhm*储Ifc示意电站（一期：I（X）MVV/400MWh）幔块化，土构示建图-二；Al500kW2MWftl¼Mft*<tlHK<AY<<X 50frfl*tfM,1*M*HttAtteM*；»»«.（fr».><4t.t«#*.«*.THMHIiH*fUW<*l!）.B>*i4*"t*75）具有强的过载能力和深放电能力。储能系统运行时，电解质溶液活性物质扩散的影响较小且电极反应活性高，活化极化较小。电池储能系统具有很好的过载能力，充放电没有记忆效应，具有很好的深放电能力。劣势:能量密度较低，当前成本较高，低成本帆供应瓶颈1）技术性能方面，缺点主要体现为能量密度较低。全机液流电池电堆的大小和数量决定输出功率，电解液容量和浓度决定储能容量。因此，可通过调节电堆面积和数量调节输出功率、增加电解液体积等方式增加储能容量，规模设计灵活。但同时全铀液流电池能量密度一般为15-50Wh/kg,同铅酸电池相当，低于锂离子电池，造成采用全帆液流电池这一技术路线的储能项口实际占地面积较大。2）成本问题是制约全帆液流电池大规模商业化应用的最大挑战主要原因是离子交换膜、电解液等材料成本较高。目前离子交换膜很大程度依赖进口，同时，机电池电解液使用量很大，导致同规模下电池总成本较高。受制于设备、产能以及高额的前期投入，目前全机液流电池的初始投资约为3000-4000元/kWh,成本约为锂电池的近2倍。但由于电解液不会降解，电解液的回收利用率较高，因此全凯液流电池残值很高。借助合适的商业模式，全机液流电池初始投资较高的问题可以得到解决。3）低成本帆的供应可能存在紧缺凯电池的电解液一一五氧化：更，主要从炼钢产生的孤渣中提取。自2018年起，我国因进口作为原料的固体废弃物所暴露出的环境污染和健康危害等问题禁止了狙渣进口。在国内钢铁企业受去产能、环保等政策约束的情况下，机渣产量波动大。供应紧张导致市场选择帆钛磁铁矿直接冶炼等成本偏高的技术路线，进一步推高了机的成本。众多企业深入布局，商业化快速推进全钢液流电池商业化进程快速推进，行业进入发展快车道。2022年9月20日，国内首个GWh级全机液流储能电站新疆察布查尔县250MW/1000MWh全凯液流电池储能配套IGW市场化光伏项目开工，计划2023年年底前并网。同月，全狙液流电池储能系统也迎来首个GWh级别集采。中核汇能日前发布今年目前规模最大的一次储能系统集采，总采购规模5.5GWh,其中包含IGWh全机液流电池储能系统。10月30日，大连百兆级液流电池储能调峰电站并网发电，该电站是国家能源局批准建设的首个国家级大型化学储能示范项目，应用全机液流电池储能技术。2022年3月，国家发改委和国家能源局联合发布"十四五"新型储能发展实施方案明确提出，将百兆瓦级液流电池技术纳入"十四五"新型储能核心技术装备攻关重点方向之一。IkWVFB电 中【!*汽值1 kW VF电 *ax.电.a &: * *U<!tfNaaMMM,SOO MWYOO MWMV ¼M*A<MttttM*6*霉：泊*6*电忿。色线札"f.的邮m*TA中心&38：2022¼tK.<*ttH<MdL1备，*现*：电也*就小为H4KtA4250WHGWhfcH4<t.fcM处V曼欠Z色"枝.攀*东得(*4><*<itnftc*aaM公司今工.计划2023年年&#H.系缎角伊GWh*<<tt<tM2三"鱼18寸+RgR上箕AAii也柳=IGWK4.<MftVfltk俭.*介工3M句±1MW4MWh*Wt次*.华电N*a100WMMooMWh*俞工a*版尊.*a&R202234IlO-4“处械金机域息电;UM，皖05MW2MWh，胃40时*色4*雷原IrtM2022”9“彳H&Q什54<t<J-e.<<<e*<ct3统*日MMWJM冷牝&禺2022F12月*冉6±4t¼u¾<t4<4gIMWh仅*&献X4tHtl三*刁7HH%会帆*A电是0竟市It电雄Ta6MW24MWh#wnfttA0u<m&>皆工1(W50MW<t<C,MM4<<A,*M<100WV,SooMWKK4ttft亶，H能"我Hft*金司X电站9SiMM*lK<ttiltMfIMWMlWh<<ttit,*HR#TKM<»KiAlWfttM10仁八125KW，OOKwh伊仅*4.储械4统l25KW5OOKWht4<4i-<*t*<fmttt«<11at<FC14K.<<M<*200IY800MWhf*电4®从2H104«"1.*金*僦微*S企R-AAtXMAt*12倒*%，*1GWK<3OWtt-*<t-i三1GWK4<三*ILJt*<*5-停工f#t4：<M<ttttR.9u申q帆电解液以及构成电堆的离子交换膜、电极、双极板等环节是技术开发和完善产业链布局的重点领域。全机液流电池产业链上游原材料有五氧化二机、硫酸等电解液的原材料，双极板、离子交换膜、电极等；中游核心部件有电解液、电堆、储液罐、循环模块和控制系统：下游主要应用于配置可再生能源、工商业储能和电力辅助系统等。全机液流电池产业链中构成电解液输送系统的管路、循环泵、控制阀件、传感器、换热器等辅助部件和设备在化工领域较为常见，电池管理控制系统所需的硬件支持是电力电子行业基本元件，产业链也比较成熟。电池特有的关键材料包括机电解液以及构成电堆的离子交换膜、电极、双极板等，这些环节也是技术开发和完善产业链布局的重点领域。图56:全批液淡电池产业域下不用A 57: 2015-2021 Q ±<29 <M t （#Uj 万*）lllS 58： 2022 4K< f #4 t （单”：5 0fl *. “”<*tM¼t «!*20,520162O1T201S201920202021钢铁企业受环保等政策约束帆渣产量波动大，石煤提帆技术存在诸多问题产量受限.国内帆资源主要用途为钢铁冶炼，主要分布区域有四川攀枝花地区，河北承德地区和辽宁朝阳地区。铀电池的电解液一一五氧化二机，主要从炼钢产生的机渣中提取。自2018年起，我国禁止了机渣进口，加之国内钢铁企业受去产能、环保等政策约束导致机渣产量波动大。替代技术中，成本相对低的石煤提凯技术存在环境污染大、资源综合利用率差等问题，在环保监管日趋严格的情况下，产量会受到较大限制。供应紧张导致市场选择机钛磁铁矿直接冶炼等成本偏高的技术路线，进一步推高了机的成本。图59：机工业玄本/任合金等，两者合计占据约一半的国内市场份额。此外建龙、成渝机钛、四川德胜等也具备万吨以上的产能，国内机资源产能相对集中.表39：国内主要仇生产企业产能情况公司户俭（万WA4: PowerUrti. *u<R<F-）廉科机Hit伶43五氯化二帆、三JU七二机、中酰帙、高帆帙、仪女金金.仅体合金仪渔河IHIt愉22五及化二供（片M、H）.Il化机、机械、复化认挟、机侣合食机*北京电是支工事团有限公司18VN.u化机机浊成渝叙.H科技有限公司18五食化二机MiiE川Ittia团机法有限公司1.6仅沧.KftK(x)仅通膏科表4：公司公*,*#ii»*»Ct*t-2）电解液与电堆：全凯液流电池核心部件全用液流电池核心部件主要由电解液和电堆构成，后者受上游帆资源的价格波动影响电解液主要原材料为五氧化二狙以及硫酸这部分成本约占电池成本的40%,上游机.资源的价格波动影响全机液流电池的成本。电堆主要由离子交换膜、电极、双极板等构成，目前离子交换膜很大程度上依赖进口，成本偏高，导致同规模下电池总成本较高，电堆成本约占电池总成本37%。m60：全机液流电池龙本构成流整机制造企业主要有大连融科储能技术发展有限公司、北京普能世纪科技有限公司以及上海电气储能科技、日本住友电工、美国UniEnergyTeChnoIogieS等。上40；.<.t«<««±1-a<wa电0“«tW*M*4*H¼卷鼻4国MftMAtH<4#总施"才£走触HalUt乞发量*限修可r*ifctk.¼HirF>4上4电4dil1三H危犬口丈ItiI(SUBeO)雄1日电沿金A山(GFE>，阳t弊&WFirruMcb£再N*Gor«H*也用!子日量也化*可Hf耳/案内*W*tH0Ff英2H*惶*电工叠署5W11e<gyTechrwiogw收喧抬Wmt*WJt:RowrtM冷u,0+A41：史耻；*电电产Jktt公句女时耳无看上中*4«卢金*胃IKttM生1993+4上：1995÷.网上'土方义事*域Er电他电*演承HM公田见胃内最t物/仪条立之一公川，山*il义二机*仪蔑建电忐包*焦的曹哀&制万"得1997±.履鼻*MM*±逐；支工电叁电晟乐"yM4量丈约产也企拄史.一,MfXtWtt««WHLESyitern20111R*生林电JL电通*M*tb+MaK.*LttM.W<RtfitKV4'invtn!yEn咽Iy4金就电4修疑小*4i<t<VSJ力"咄例就看能冷纯ta200741H6金*简小吃处电也Hl也擘M(VRB-SSS)丈*触"200*WBMttft<M.VPowwlTPcwlReFIejf曲包彳M上考电工1(趣"收201912耳金爪发触能系吱蜀桂色电*2DW哥/先仅*“2014*AA<1X9隼B电靖品健*,"*7剪电启Mlt*&1京抬我*IrIl电冷帝m/j¢JR,*l*4tH.材科4t*Md*a+力*电儿国*工电息电*t化士，色力.t<JC90年K牛金金枢；*息电*MA崎发.H*宅曼士日工住电电工1897<产曼怪先整-*电*/网统+0收上.狱<豳叁度*仓整RH.20WH4*t*l5MWAeMhU<也修施日.±8*身1*内Nk*J*j*¾1）上游原材料：核心资源为铀，我国储量全球第一全用液流电池的上游原料环节重点资源为帆，中国帆矿的储量和产量均居世界首位。美国地质调查局统计数据显示，截至2022年全球机资源约6300万吨，已探明机资源主要分布在中国、俄罗斯、南非和澳大利亚，其中我国占比高达33%。从产量来看，中国机矿产量同样位居世界前列，据美国地质调查局显示，2021年全球供矿产量11万吨，其中中国机矿资源产量7.3万吨，2021年中国抗矿产量占全球最高，达到66.36%。*蹲：»<r«f.«<U»R<+<；从企业布局来看，国内帆资源产能相对集中，攀钢帆钛、河钢股份等在帆钛资源综合使用和帆产品生产方面处于世界领先地位。从产能情况来看，攀钢铀钛目前具备超过4万吨抓制品产能（以五氧化二机计），2021年公司累计完成机制品（以五氧化二机计）4.33万吨，同比增长1.93%；河钢股份2021年度铀制品产能为2.2万吨左右，主要产品为五氧化二机、氧化机、机铁、氮化机铁、狙铝全机液流电池产业链成熟，国内外均有企业深耕全机液流电池各关键部件。电解液供应国内主要由大连博融新材料提供，国外企业有美国史查克和德国电冶金公司；涉及离子交换膜的主要企业有国内的苏州科润新材料、东岳集团以及美国杜邦、德国FUmatach、美国戈尔等；电极制造商有国内旭能翰源、日本东丽、日本东邦、美国郝克利等；双极板主要为国内中科能源材料与旭能翰源：全供液