最近一段时间，“钒电池”这个词火了起来。听上去它好像和锂电池有点关系，它是下一代电池吗？它的火是噱头还是机会呢？
这篇《科技参考》，我就来介绍一下钒电池的现状和未来。
我们先说结论：
钒电池是一个非常年轻的产品，它的优点是非常适合储能电站使用，尤其适合中国的当前和未来。但正因为年轻，当前的成本还非常高，类似于上世纪 90 年代初锂电池的发展阶段，于是很难说钒电池是不是 20 年后储能电站的主要形式。
钒电池
下面咱们具体说一说：
钒电池和我们见过的其他电池最大区别就是，它的正负极全都是液体，只有中间的隔膜是固体。正极产生的变化是，五价的钒离子与四价钒离子的来回转换；负极产生的变化是，三价的钒离子与二价钒离子的相互转换。
正极和负极，你可以把它们想象成两个大水桶，分别由水泵推着水流旋转。正极水桶里的液体顺时针转，负极水桶里的液体逆时针转，它们交汇的地方用一层隔膜挡住，保证正负极液体永不接触，否则就相当于电池内部短路了。但是，还有一种东西是可以穿透隔膜的，那就是电子。
具体是这样的：
给电池充电时，正极的四价钒离子会再失去一个电子，变成五价钒离子。失去的那个电子会穿过隔膜来到负极，让负极的三价钒离子变成二价的钒离子。放电的时候是反着的。
这个过程中，正负极的液体颜色还会跟着变化，没电的时候正极是蓝色的，负极是绿色的；充满电时正极是黄色的，负极是粉色的，挺好看的。总之，科学家们找到了一种分子，可以实现电子在隔膜间的定向穿梭，钒电池就这样工作起来。
为什么钒电池突然引起关注？
钒电池突然引起关注，和政策导向有关系。
2022 年 6 月 29 日，国家能源局发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求》里有这么一条，“中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯度利用动力电池；选用梯度利用动力电池时，应进行一致性筛选，并结合溯源数据进行安全评估”。这个规定一下限制了储能电站的规划。
在全球碳中和项目推进之前，通过电池储能的方式建立储能电站，属于非常小众的类别，最主流的还是建设抽水蓄能的储能电站。就是把用不了的电用在抽水机上，把低洼地带的水运输到高处的水库，等要发电时再开闸放水发电。只有在特别需要储能，而地理位置又不合适、方圆几十公里都是大平原的时候，才有用电池把电能存起来的项目。
当时，用什么电池的都有，铅酸的、三元锂的、磷酸铁锂的都有。而且，为了减少建设成本，绝大部分储能电站的电池都是淘汰下来的动力电池。
也就是说，虽然电动汽车的电池标称 1000 次循环就寿命到期了，但这并不是说 1000 次后就完全不能用了，只是因为这时候电池的电量已经降低到出厂时的 80% 了；如果再循环 200 次呢，电量可能会降低到出厂时的 65%。但是，这 200 次也依然可以用啊！
既然是给风力发电和太阳能发电配备的储能设备，就根本不用在意能量密度。我们可以挖一个 500 米长、500 米宽、10 米深的大凹槽，里面装满这类寿命对电动车来说已经到期，但其实还能凑合用的电池。这种使用方式就是能源局那份要求里提到的“梯度利用”。
而能源局的建议是，“不宜利用梯度利用电池”，就是这么做今后很可能不批准，就算批准，也会严格审核电池的一致性和能否溯源。也就是说，这些废物再利用电池最好都是那些情况还不错，可以查明生产日期、出厂日期，内阻、剩余容量等规格都有很高一致性的情况下才可能批准。
钒电池的优势
这条通知还禁止了另外两种电池搭建储能电站，就是三元锂电池和钠硫电池。为什么？因为这两种电池在寿命末期，一旦出现故障，大都会产生明火。
原因是正负极在反复充放了上千次后，不断的向中间生长晶枝，晶枝最后会刺穿正负极之间的隔膜。正负极短路后，由于里面有高活性的金属锂和钠，和空气中的氧气接触，马上就会产生明火，然后一节节的点燃里面没有发生故障的电池。
三元锂电池导致的储能电站火灾还有一个特点，就是没法救。不像其他火灾，把明火扑灭就能保住其他设备，三元锂电池内部自带足够多的氧化剂和还原剂，所有的材料都包在了一起，所以一旦起火，不把材料彻底反应完是不会停的。
2011-2022 年，全球一共发生过 34 起储能电站爆炸事故，日本 1 次，比利时 1 次，中国 3 次，美国 4 次，韩国 25 次。这里面，三元锂电池和钠硫电池，也就是在通知里被禁止用于储能电站的这两类电池，引发的事故是 31 次，十年间的恶性事故有 91% 都是它们造成的。所以，你就知道为什么通知里有这条禁令了。
当然，韩国属于是帮全球储能电站试错了。能源局这个禁令是一条符合技术规律的合理禁令。
而且你注意，统计的这十年里，锂离子电池作为储能电站的规模还只是处于起步阶段，随着碳中和项目中风能和太阳能大规模取代传统热电站后，电池做的储能电站的规模会是之前这十年的几百倍。可以想象，如果继续使用三元锂电池做储能，隔三差五就会有一个储能电站爆燃的新闻曝出。而且，今后储能电站的规模会越来越大，造成的损失会更严重。所以，必须采用更稳妥的电池。
在这个通知里，禁止的是三元锂电池和钠硫电池，但并没有禁止磷酸铁锂电池，因为它是一种相对不容易燃烧的电池。
但我们还是要注意，在过往 11 年的储能电站爆炸事故里，仍然有 2 次是磷酸铁锂电池造成的。所以，尽管当前磷酸铁锂电池没有在禁令里，但大概率说，只要标准再卡严一点，磷酸铁锂类型的储能电站也难有很大的发展。
从电池技术固有风险和政策禁令来说，只有在安全级别上比现有电池高出一大截的才能完全没有顾虑。
而钒电池就属于此类。我们刚刚说过它的工作原理，正负极是纯液体，这种液体是稀硫酸的水溶液，所以不存在燃烧爆炸的物质条件。钒电池最大的优势就是安全。
其他优势我也顺便提一下：
比如，电池的一致性非常好。
什么意思？你记得通知里要求“即便用了梯度利用电池，也要进行一致性筛选”这句吧？当电池个数超过几百个以后，一致性就非常重要了。
因为这几百个电池里，有 1 个内阻特别高，那里就会发热严重。但充放电控制芯片却是按照正常电流大小充放的。大家都没事，就它一个因为高温爆炸了，电池组就全毁了。或者没有这么严重，就它提前充满了，于是另外几百节电池在充电过程中就跟着它停了，结果大家只充到 70%，它已经 100% 了。这组电池就因为存在这么一个害群之马，始终有 30% 的电量一直用不上。这就是一致性不佳造成的损失。
但钒电池是一种非常灵活的电池，单节电池的容量需要多大呢？你说就可以了。我往大罐子里加液体嘛，100L 够不够？不够的话，50 立方米够不够？正极一个大罐子，负极一个大罐子，这就是一个巨型的电池单体，就一节电池，不存在一致性问题。
当然，也可以并联和串联，但总的来说，单体可以做得非常非常大，于是电池节数就可以做的很少，一致性问题就好解决。而锂离子电池，单体能做到几百瓦时就差不多了，否则正负极和薄膜卷起来之后的各种物理、化学特性，都没法维持均衡了。
钒电池的另一个优势就是寿命长。
钒电池是一个精巧的化学体系。你发现没有，正负极始终都是钒离子之间的液体变化，只不过离子的价态不同，没有新的物质生成，于是就没有正负极材料的损失。
而普通锂离子电池存在物质形态的变化，有些会永远变不回来，那就相当于容量损失了，也有些是永远无法从负极材料中脱身出来了，也相当于电池容量的损失。
但这些问题，钒电池都没有。钒电池的寿命大都受中间隔膜寿命的影响，隔膜性能下降以后，更换隔膜，再修复电解液，电池就能恢复如初。所以一旦建成以后，维护起来也更省心。
此外，钒电池还有一个优势就是，钒矿在中国非常丰富。
中国的钒矿探明储量占全球 40% 以上，年产量占全球 60% 以上，不存在某些关键材料在战乱国家产量不可控的问题。而且目前每年的产量也只占探明储量的几百分之一，具有可持续性。所以，它可以作为基础设置建设的主力材料。
钒电池的劣势
说完优势，说说劣势。
首先，就是正负极之间的那层隔膜的技术难点。
这层膜，目前只有杜邦和另外几家公司可以生成，中国自己开发的产品还有很大差距。
其次，初期建设费用高。
注意，是“初期建设费用高”，每度电的建设成本在 2000-6000 元人民币。咱们取一个中间数，4000 块钱一度电的储能建设成本。而采用磷酸铁锂电池的电站，初期建站时每度电的建设成本是 1000 块钱。
但注意，这个只是初期建设成本高。如果统计全寿命的话，钒电池储能电站的成本可能比磷酸铁锂电池类型的储能电站更低。原因就在于我们之前说的，钒电池寿命长。钒电池可以循环 15000 次到 20000 次，而磷酸铁锂电池只有 5000 次左右。所以，当我们把储能电站的运营时间拉长到 20 年时，成本其实就差不多了，钒电池的甚至可能更低。
而且，还有其他因素要考虑：钒电池的储能应用，最早出现在 2012 年，到今天也刚刚十年，它在 10 年前的成本是现在的 2.3 倍。如果照此速度发展下去，2032 年，钒电池的储能成本，尤其是全寿命下的成本，就不是和锂电池持平了，而是会明显低于锂电池储能的成本。
一旦这些劣势都解决了，很可能在未来 30 年内，中国会有接近一半的储能电站选择钒电池。这是一个非常庞大的市场。不过这一切都还是未知数，让我们拭目以待。