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一、前言
随着国内外大规模储能项目的陆续启动，储能技术未来势必会迎来爆发式增长。近年来，电化学储能产业快速发展，其中钒液流电池储能技术以其本征安全、全生命周期经济性好及环境友好等特点，受到储能领域的广泛关注。钒具有优异的物理和化学性能，化合价有+2、+3、+4和+5，不同价态可形成相邻价态的电对；具有耐盐酸和硫酸的特性，是钒液流电池的关键金属材料。钒用途十分广泛，主要应用于钢铁、储能、化工和钛合金等领域，被中国、美国、欧盟、日本、澳大利亚等国家和地区列入战略性矿产、危机矿产、关键矿产清单。
目前，业界对钒液流电池的研究主要集中在应用方面，鲜有对钒金属的需求及供应保障的相关研究。本文在全球能源转型的背景下，围绕电化学储能技术及钒液流电池的发展趋势，研究储能领域对钒的需求和供应保障情况，以期为相关行业发展提供参考。
二、储能领域成为钒应用的新增长极
（一）钒的应用领域
钒广泛应用于钢铁、储能、化工和钛合金（航空航天）等领域，是现代工业与国防部门所必须的重要资源，被誉为现代工业的“金属维生素”。钢铁冶金是钒最主要的应用领域，据安泰科信息股份有限公司数据，2022年全球88.83%的钒用于钢铁冶金（见图1），大部分含钒产品是由钒钛磁铁矿经选矿、高炉冶炼（电炉）、转炉还原、加工处理等工序获得。钒在钢铁领域主要作为合金添加剂，实现钢材的微合金化；钒的添加可提高钢材产品性能，也可以有效节约钢材使用量，实践表明，在结构钢中加入0.1%的钒，强度可提高10%~20%，结构重量减轻15%~25%，成本降低8%~10%；若采用含钒高强度钢时，可减轻金属结构质量40%~50%，比普通结构钢的成本低15%~30%，这对实现“双碳”目标具有积极作用。
钒的另外一个重要应用领域是钛合金行业，钛合金是一种广泛应用于航空航天领域的高级合金材料，含钒合金是钛合金最重要的添加剂，钛合金制作的关键原料就是各种牌号的含钒合金。2022年，全球约2.83%的钒用于钛合金领域；全球约4.37%的钒用于储能行业，3.97%的钒用于化工行业。钒在储能领域主要是用作钒液流电池，钒化合物在一些重要的化学工业生产中可用作催化剂。根据安泰科信息股份有限公司的统计数据，近年来全球储能领域钒消费量持续增长。2018年全球储能领域钒消费量占全球钒消费总量的1.8%，2022年迅速增长至4.37%（见图1）。
（二）钒液流电池的优势
随着储能行业的快速发展，钒液流电池需求前景良好。钒液流电池是一种以金属钒离子为活性物质的、呈循环流动液态的氧化还原可再生电池，正负极都是钒。钒液流电池已具备产业化应用的条件，且性价比高、经济性好；钒液流电池储能系统的储能时长越长，每千瓦时的实际成本就越低，是高功率、大容量、长时间储能技术的最佳选择（见表1）。
1.本征安全
钒液流电池是水系循环体系电池，其电解液为钒离子的稀硫酸水溶液，在室温状态下即可工作（5~40℃），充放电过程中没有固相反应，只需控制好充放电截止电压，并确保电池系统存放空间通风良好，即可本征安全，没有起火爆炸等隐患，这是钒液流电池与其他电化学电池相比最为突出的优势。
2.寿命更长
钒液流电池可通过周期性电解液共混实现对可逆容量的恢复，因此，钒液流电池具有更长的使用寿命。到目前为止，钒液流电池循环寿命可达到12000~18000次，约为锂离子电池的2倍以上，使用年限在15~20年，也有研究认为其使用年限可长达20年以上。
3.扩容简单，设计灵活
钒液流电池的输出功率和储能容量可进行独立设计，电堆是进行电化学反应的场所，其输出功率取决于电极的大小和电堆的数量；电解液是能量存储的介质，其储能容量取决于电解液的浓度和体积，因此可根据实际情况自由选择功率单元和能量单元数量。若想要增大输出功率，只需增大电极的面积和增加电堆的数量即可；若想增加储能容量，只需加大电解液的浓度和电解液的体积，因此钒液流电池适合于需要大规模、大容量、长时间储能装备的应用场所。
4.强大的深放电能力
钒液流电池所使用的电极不含活性物质，只负责提供氧化还原反应的活性位点，电极本身并不发生氧化还原反应。因此钒液流电池与其他传统电池相比，充放电没有记忆效应，可以进行100%深度放电而不会损坏电池。
5.对环境友好，易于回收利用
钒电解液是钒液流电池最核心的材料之一，是单一钒离子的硫酸溶液，减小了正负极电解液交叉污染的风险，充放电极少产生杂质，也无污染物，对环境友好。此外，钒液流电池回收利用
率高，在系统使用寿命结束时，所有的电解质成分（包括钒资源、水和硫酸）都可以通过沉淀电化学氧化方法，借助于pH值变化很容易被分离出来。
6.全生命周期成本较低，经济性好
钒液流电池初始投资成本较高，主要是由于离子交换膜和电解液等材料成本较高，而且钒液流电池能量密度低、体积大，因此电解液使用量会更大，导致其成本更高。但经过实际研究，不同储能时长的钒液流电池储能系统的实际价格不同，当储能时长越长时，电解液的储能系统价格就被单位分摊的更多，实际成本就越低。因此钒液流电池储能时长越长，其实际成本就越低。
三、储能用钒需求趋势分析
近年来，全球储能市场规模持续平稳增长，尤其是自2019年以来，全球清洁能源迅速发展，越来越多的国家开始加速能源转型，储能产业成为全球经济复苏的抓手之一，全球储能累计装机规模逐年快速增长。根据中国能源研究会储能专委会/中关村储能产业技术联盟（CNESA）全球储能项目库的不完全统计，截至2021年年底，全球累计储能市场装机规模同比增长9.58%，与2017年相比增长了19.38%。
（一）电化学储能进入快速发展期
在全球储能技术中，抽水储能仍然占据主导地位，但电化学储能正异军突起，成为储能市场冉冉升起的一颗新星。近年来，电化学储能在储能领域占比逐年快速提升，累计装机规模大幅度攀升，成为储能市场的重要增量。根据中国能源研究会储能专业委会、中关村储能产业技术联盟全球储能项目库的不完全统计，2021年全球电化学储能累计装机规模比2017年增加了7倍多，电化学储能累计装机规模占全球储能市场累计装机规模比例从2017年的1.67%增长到2021年的11.70%，实现了飞速发展（见图2）。
电化学储能得益于高效的能量转化、受地理环境影响小和可再生能源整合的优势，随着技术的进步和成本的逐年下降，未来将持续增长。根据IEA和睿咨得能源（Rystad Energy）等综合预测，在可持续发展情景（即与实现《巴黎协定》目标相一致的发展轨迹所需的条件）下，预计到2030年全球电化学储能新增装机容量约为169 GW·h，到2040年新增装机容量约为426 GW·h（见图3）[24~26]，分别较2021年增加了约8倍和21倍；预计到2030年我国电化学储能新增装机容量约为104 GW·h，到2040年新增装机容量约为316 GW·h，分别较2021年增加了约35倍和110倍。
（二）钒液流电池发展潜力巨大
钒液流电池主要应用于持续时间较长（大于等于4 h）的电网规模应用，目前电化学储能领域非液流电池占比大于98%，其中锂离子电池占90%，而钒液流电池占比小于1%。根据CRU国际有限公司的预测，钒液流电池将快速发展，预计到2030年钒液流电池占电化学储能市场份额为1%~25%，到2040年钒液流电池占电化学储能市场份额为15%~40%（见图4）。
基于对储能领域不同类型电池安全性、成本、环境友好性和技术性能的分析，考虑各类电池的发展具有诸多的不确定性，本文设置3种不同情景，分析电化学储能领域全钒液流电池的发展趋势，预测2022—2040年全钒液流电池新增装机容量（见表2、图5）。
（1）高速发展情景。钒液流电池技术取得重大突破，在降低成本、能量密度、能量效率等方面大大提升，占地面积减少，运行维护成本下降，同时广泛应用于电力系统“发输配”等各个环节；预计到2040年，钒液流电池在电化学储能领域市场占有率将达到30%~40%。在此情景下，全球电化学储能领域钒液流电池新增装机容量将由2021年的0.16 GW·h增长至2040年的192~235 GW·h；我国电化学储能领域钒液流电池新增装机容量将由2021年的0.03 GW·h增长至2040年的144~176 GW·h。
（2）参考情景。各种类型电池技术均有所突破，铅碳电池技术循环寿命大大提升，钠离子电池技术等迅猛发展，迅速占据较大的市场份额，钒液流电池技术也有突破，能量密度、能量效率等均有提升；预计到2040年钒液流电池在电化学储能领域的市场占有率为10%~15%。在此情景下，全球电化学储能领域钒液流电池新增装机容量将由2021年的0.16 GW·h增长至2040年的55~77 GW·h；我国电化学储能领域钒液流电池新增装机容量将由2021年的0.03 GW·h增长至2040年的42~57 GW·h。
（3）低速发展情景。钒液流电池技术发展较为缓慢，成本居高不下，且由于原材料供应的制约，钒液流电池发展处于不温不火的状态。同时，锂离子电池技术的安全性大大提升，随着新能源汽车市场的规模效应其制造成本不断下降，锂电池始终占据较高的市场份额；预计到2040年，钒液流电池在电化学储能领域的市场占有率为4%~6%。在此情景下，电化学储能领域钒液流电池新增装机容量将由2021年的0.16 GW·h增长至2040年的23~32 GW·h；我国电化学储能领域钒液流电池新增装机容量将由2021年的0.03 GW·h增长至18~24 GW·h。
（三）储能用钒未来需求迅猛上升
理论上，储存1 kW·h的电能，需要5.6 kg V2O5，如果电解液的利用率为70%，则实际上储存1 kW·h的电能大约需要8 kg V2O5（折合为4.48 kg金属钒），由于钒液流电池寿命为15~20年甚至更长，所以从现在到2040年暂不考虑电解液的回收情况。
根据钒液流电池发展的3种不同情景，预测2022—2040年全球和我国钒资源的需求量（见表3、表4、图6）：
①高速发展情景下，全球电化学储能领域的钒需求量将由2021年的3100 t增长至2040年的8.6×105t~1.05×106t，比2021年增长276~338倍；我国电化学储能领域的钒需求量将由2021年的2900 t增长至2040年的6.5×105t~7.9×105t，比2021年增长223~271倍。
②参考情景下，全球电化学储能领域的钒需求量将由2021年的3100 t增长至2040年的2.5×105~3.4×105t，比2021年增长80~109倍；我国电化学储能领域的钒需求量将由2021年的2900 t增长至2040年的1.9×105~2.6×105t，比2021年增长65~89倍。
③低速发展情景下，全球电化学储能领域的钒需求量将由2021年的3100 t增长至2040年的1.05×105~1.4×105t，比2021年增长33~44倍；我国电化学储能领域的钒需求量将由2021年的2900 t增长至2040年的8×104~1.1×105t，比2021年增长27~37倍。
四、钒资源供应趋势分析
（一）全球钒资源储量丰富全球钒资源量超过6.3×107t，2010年以来，全球钒矿储量持续增长。据美国地质调查局数据，截至2021年年底，全球钒储量为2.4×107t[28]，主要分布在中国、澳大利亚、俄罗斯、南非、巴西和美国等国家，相比于2010年增长76.5%（见图7）。
近年来，随着勘查技术的进步，我国钒矿储量迅速增长。根据美国地质调查局数据，2021年我国钒矿储量为9.5×106t，与2010年相比增长86.3%，我国的钒钛磁铁矿床主要分布在攀枝花矿区、红格矿区、白马矿区、太和矿区和承德地区等地。澳大利亚政府一直把重点放在增加关键矿产资源储量方面，2014年以来，澳大利亚钒矿储量持续稳步增长，2021年澳大利亚钒矿储量为6×106t，相较于2014年增长了4.2×106t，增幅达到233.3%，其钒钛磁铁矿床主要分布在巴拉姆比、文多维等地区。除中国和澳大利亚外，俄罗斯、南非、巴西以及美国等主要资源国的钒矿储量基本维持稳定，2021年，俄罗斯的钒矿储量为5×106t，南非的钒矿储量为3.5×106t，巴西的钒矿储量为1.2×105t，美国的钒矿储量为4.5×104t。
（二）全球绝大部分的钒资源来自于钒钛磁铁矿床
钒是地壳表层中赋存最为丰富的元素之一，钒在地壳中的总含量位于金属的第22位，比铜、铅的含量还多，在地壳中的丰度约为0.02%。虽然其含量较多，但是比较分散，因此至今没有发现单独的钒矿，主要和一些金属矿共伴生。
钒钛磁铁矿是钒的主要来源，分布广泛，但主要分布在中国、俄罗斯、南非、加拿大、美国、挪威、芬兰和新西兰等国家（见表5）。目前世界绝大部分钒通过钒钛磁铁矿及其矿渣经焙烧、浸出等工艺进行提取。钒还以化合物的方式存在于磷酸盐页岩矿、铀钾钒矿、硫钒矿与铝土矿中，碳质的石煤、原油、沥青矿物中也含有钒。
2021年，全球约有13.03%的钒产量是从钒钛磁铁矿中直接提取（我国约为0.89%），约76.2%的钒产量是通过钢铁冶金过程中产生的富钒钢渣得到的（我国约为89%）。另外，约10.77%的钒产量来自于回收的含钒副产品，如含钒燃油灰渣和废化学催化剂，以及含钒页岩的生产。
（三）全球钒矿产量增长缓慢
近年来，全球钒矿产量整体呈波动上升的态势，但增长缓慢。根据美国地质调查局数据，2010年以来全球钒矿产量波动上升，2021年全球钒矿产量约为1.05×105t，比2010年增长了82.29%（见图8）。
钒主要生产国包括中国、俄罗斯、南非、巴西等国。我国是钒资源大国，是世界上最大的钒生产国，近年来我国钒矿产量持续增长，2021年我国钒矿产量约为7.03×104t，相比2010年增长了219.55%；2021年俄罗斯钒矿产量约为2.01×104t，相比2010年增长了34%；巴西钒矿产量从2014年才有相关数据统计，2021年钒矿产量约为5800 t，相比2014年增长超过4.6倍；2010—2021年南非钒矿产量迅速下降，2011年南非钒矿产量达到顶峰，为2.2×104t，此后波动下降，2021年为8800 t，相比顶峰时期（2011年）下降了60%。
近十年来，全球钒产量总体呈现增长态势，增长较为缓慢（见图9）。根据国际钒技术委员会数据，2021年全球钒产量约为1.157×105t[42]，同比仅增长了4.77%。2011年全球钒产量为7.62×104t，2021年比2011年增长了51.87%。
（四）钒液流电池高速发展情景下，未来全球钒资
源将面临供需不平衡2017年，随着钢铁行业的复苏、钢价的上涨，钒需求量大大增加，叠加环保政策《进口废物管理目录》的出台，限制钒渣进口导致钒资源供给紧张，需求增长与供给下降带来供需紧平衡的局面，因此，2018年以来钒价格持续增长。五氧化二钒市场价格在2018年12月达到最高将近50万元/t；2019年由于钢铁新国标执行不到位或者使用钒替代品的情况，钒需求实际增量有限，供需失衡导致钒价格开始出现持续下降；受疫情影响，2020年以来五氧化二钒价格稳定在10万元/t左右（见图10）。
2018—2021年电池级碳酸锂价格始终低于五氧化二钒价格，在5~16万元/t，2021年9月由于新能源汽车快速发展等原因电池级碳酸锂价格飞速增长，2022年11月达到顶峰（约为57万元/t），此后由于全球锂产业从上游矿产到中游材料下游电池均处于过剩状态等原因，电池级碳酸锂价格下降（见图10）。
根据目前的情况，全球2021年钒资源的储产比约为207年，然而在高速发展情景下，到2040年全球钒资源的储产比仅为23年左右；参考情景下，到2040年全球钒资源的储产比也仅为60年左右。以目前钒供应形势来看，随着储能行业钒液流电池用钒量的爆发式增长，粗略估计，按照目前钒产能及钒产量增加缓慢的情况，到2030年全球钒资源将面临供需不平衡，且会供不应求。
五、结论与建议
（一）结论
（1）到2040年，全球电化学储能新增安装容量约为426 GW·h，高速发展情景下钒液流电池新增安装容量约为192~235 GW·h，对钒的需求量迅猛增长，约为8.6×105~1.05×106t；参考情景下钒液流电池新增安装容量约为55~77 GW·h，对钒的需求量约为2.5×105~3.4×105t；低速发展情景下，钒液流电池新增装机容量约为23~32 GW·h，对钒的需求量约为1.1×105~1.4×105t。
（2）到2040年，我国电化学储能新增安装容量约为316 GW·h。高速发展情景下钒液流电池新增安装容量约为144~176 GW·h，对钒的需求量迅猛增长，约为6.5×105~7.9×105t；参考情景下钒液流电池新增安装容量约为42~57 GW·h，对钒的需求量约为1.9×105~2.6×105t；低速发展情景下，钒液流电池新增装机容量约为18~24 GW·h，对钒的需求量约为8×104~1.1×105t。
（3）目前制约钒供应的问题主要有：钒产量和钢铁产业发展息息相关，未来我国钢铁产量增长预计将维持在相对稳定的水平，产量增长有限，这制约了钒产量的增长；钒的生产工艺流程复杂，能耗大且收率低；钒资源开采和提炼的成本较高，使得钒的市场价格相对较高，这也限制了钒的大规模应用和开发。
（4）从目前钒的供应形式来看，随着储能行业钒液流电池用钒量的爆发式增长，按照现有的钒产能情况及钒产量缓慢增长的情况，到2030年以后钒资源将面临供需不平衡，且会供不应求。
（二）发展建议
1.提高钒液流电池的技术研发力度
（1）提高电解液的浓度，增大钒液流电池的能量密度。如改变传统的H2SO4支撑电解液，使用HCL/H2SO4混合支撑电解质，可以大幅度提高钒电解液浓度，增大电池能量密度[44]。
（2）对电极、膜及双极板等配件材料进行开发与优化，研发高性能、低成本的关键材料。如制备更薄、偏向三维结构、高活性的电极材料；提升国产膜的稳定性和离子选择性，促进国产膜的产业化应用。
2.加强我国钒资源的利用和保障力度
（1）加大钒矿的地质勘查力度，积极探索新的钒矿资源。结合现代科技手段，进行广泛的地质调查和勘探，包括地质勘查、遥感技术、地球化学测试等，以确定潜在的钒矿床位置和规模。在勘查过程中，需要注意环境保护和可持续发展，采用科学合理的开采技术和管理措施，确保资源的可持续利用。
（2）创新钒钛磁铁矿的提钒方法和技术，提高钒资源利用效率。传统钒钛磁铁矿的提钒方法目前还有很多不足，资源浪费严重。通过创新钒钛磁铁矿的提钒方法和技术，可以增加提取钒的收率、降低成本、减少资源浪费和降低环境污染，从而更有效地利用钒资源，提高钒资源利用效率，推动行业可持续发展，同时对环境造成的影响也将得到有效控制。
（3）加大钒资源的回收利用。为了确保钒液流电池的可持续发展和钒资源的持续稳定供应，做好钒液流电池的回收利用至关重要。在规划钒液流电池产业布局时，做好每块电池的数字化和智能化管理，建议将回收利用装置产业布局纳入其中，形成完整的产业链。在生产环节，将回收利用装置与生活流程相结合，实现资源的最大化利用；在使用环节，通过合理布局回收站点和定期回收计划，确保废旧电池能够及时、有效回收。
（4）重视境外钒钛磁铁矿的布局与开发。积极开发境外钒钛磁铁矿资源，并提前进行战略布局，加强与相关国家和地区的合作与交流，分享技术和经验，共同开展钒资源勘探、开采和加工，实现资源共享、风险共担、合作共赢。同时积极参与国际钒市场的规则制定和资源价格的形成，提升我国在全球钒产业中的话语权和竞争优势，推动我国钒资源战略布局的全球化部署。
