储能技术路线选择：锂电、钠电、氢能、钒电产业链谁将胜出？

互推小编 2023-04-13

（报告作者：国泰君安分析师肖洁、鲍雁辛）

国内储能的未来：市场化竞争、多技术路线并存。储能的下游是电网、电站运营、户用等，与车用锂电（认证周期长、一致性要求高）进入壁垒高、集中度高不同，很难出现寡头的格局，更多是以经济性和成本优势为核心的竞争格局，更像是光伏产业。

国内储能的未来：市场化竞争、多技术路线并存。我们的结论：钠锂求异，氢钒求同，寻找上游材料的投资机会。

储能的下游是电网、电站运营、户用等，与车用锂电（认证周期长、一致性要求高）进入壁垒高、集中度高不同，很难出现寡头的格局，更多是以经济性和成本优势为核心的竞争格局，更像是光伏产业。

放在产业大背景里去看技术路线的差异、演变和未来，我们希望回答更加细节的问题：

1、氢能领域丰田选择金属双极板，巴拉德选择石墨及复合板，作为双极板厂商哪个才更有未来？

2、钠电负极厂商，面对性能强成本高的硬碳、性能弱成本低的软碳，更优的选择是什么？

3、钒电体系承袭于氢能，除一致的材料降本之外，叠加了钒的提纯。如果储能的终极是液流体系（全钒、锌溴、铁铬、有机），钒的上游资源企业是否具备在提纯领域快速降成本的能力？

1. 钠锂求异：产业链重合度高，关注上游原材料

1.1. 锂电钠电原理相同，钠电产业化道路平坦

钠离子电池工作原理与锂离子电池“摇椅式”原理相同，利用钠离子（Na+）在正负极材料之间的可逆脱嵌实现充放电。钠离子电池主要由正极、负极、隔膜和电解液组成，和锂离子电池的生产设备基本可实现兼容，降低了产业化难度。

钠电产业链布局承袭锂电，利于产业化快速导入。我国钠离子电池产业链还处于初级阶段，产业布局尚不成熟。钠离子电池产业链结构与锂电类似，包括上游资源企业、中游电池材料及电芯企业。

1.2. 钠锂求异：以负极材料为例

硬碳占据负极主流，改善首周循环效率为商业化关键。硬碳材料由于高比容量（300 mAh/g 左右）、低储钠电压（平台段电压在 0.1V 左右）、长循环寿命、来源广而被认为是钠离子电池最具商业化潜力的负极材料。目前，商业化的钠离子电池所使用的负极几乎都是硬碳，硬碳比石墨更易合成。

在商业化应用过程中，硬碳面临着首周库伦效率较低的问题，其在酯基电解液中首周库伦效率大多在 50-80%左右。因此，需要通过改进前驱体、改善合成条件等方法减少其内部缺陷，制备出孔隙率低且缺陷少的硬碳。

规模化后生产成本的决定因素：原料价格、残碳率（单耗）、电费（温度和时间）。综合来看，我们认为硬碳成本应该低于人造石墨，软碳成本使用无烟煤之后则更低。

原料价格：过去优质负极材料主要采用进口原料（主要指进口针状焦）， 2019-2020 年原料国产化替代加速，产品成本显著下降。2021 年以来，国内负极材料主要原料的价格呈现上涨趋势。下游需求持续增长，供需博弈下原料价格的上涨已成定局，负极材料厂商成本承压，而压力能否传导至下游电池厂商，取决企业基于技术壁垒和客户资源所构筑的议价能力。

残碳率（单耗）：石墨负极材料中，天然石墨单耗相对确定，人造石墨单耗波动较大，依据负极材料厂商披露的数据计算，单耗在 1.21-2.28 区间内。单耗可能随石油焦和针状焦用量的占比差异而有所变化，除高端人造石墨主要采用针状焦为主外，其余不同品质的负极材料原料用量的具体配比未知。硬碳/软碳负极中，酚醛树脂分子中含有大量的芳香环，残碳率高于其它高分子聚合物，理论值在 55~70%，产业化后可能低于 50%，原料单耗 2 以上；生物质原料的残碳率可能只有 20%；无烟煤的残碳率大概 50-80%，但软碳性能弱于硬碳。

加工费用：无论是软碳还是硬碳，由于其温度和时长要求远远低于人造石墨，成本结构可参考天然石墨，大规模产业化后制造费用（含电费能耗等）可能略高于天然石墨。

2. 钒氢求同：降本之路方向一致，关注共用组件

2.1. 液流电池为储能“量身打造”

液流电池具备两大核心优势：1）安全：从根本上避免爆燃，2）耐用：活性物质衰减缓慢，工作寿命长达 15-20 年，加之储能系统一般是静态设施，对重量、体积的要求不高，能量密度并非关键指标，使得其尤其适合作为大规模储能系统。

全钒液流电池技术已成熟、综合性能好，是目前所有液流电池技术中最成熟、最可能实现大规模商业化的。其除液流电池的普遍优点外，还有三项优势：1）环境友好：全封闭运行，几乎零排放；2）残值较高：电解液钒元素不发生损耗，残值约 70%；3）回收方便：电解液只含单一过渡金属，容易提取。虽然钒电体积相对锂电更大，但是户用储能钒电产品体积仍有一定竞争性，叠加其安全、高生命周期性价比两大优势，除大规模储能系统外，小型化全钒液流电池同样能与家用光伏配套使用。

2.2. 钒氢同体系，模块化结构中电堆为核心

全钒液流电池与氢燃料电池结构与原理类似，电堆是系统的核心部件，是发生电化学反应和产生电能的场所，电解液或氢气储存在外部储罐中。

鉴于单个电池单元输出功率较小，实践中通常通过将多个单元以串联方式层叠组合构成电堆来提高整体输出功率。以氢燃料电池为例，电堆是由双极板与膜电极交替叠合，各单体之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆拴牢，构成的复合组件。

从成本构成看，电堆是电池系统的价值量核心，国内电堆在核心材料缺乏与关键技术方面存在短板。钒氢共用材料中，目前石墨双极板基本实现国产化，质子交换膜、气体扩散层仍主要依赖进口。

电堆的降本之路：据 GGII 统计，电堆近年的降价幅度约为每年30%。与此同时，氢燃料电池系统的平均降价幅度约为每年 15%。2021 年，批量采购的电堆价格已降至 2000 元/kW 以下，这也使得燃料电池系统价格低于 5000 元/kW 成为可能。

2.3. 钒氢尚处产业化初期，共用组件更具高确定性未来

气体扩散层（GDL）：位于气体流场层和催化层之间，主要由碳纸/碳布经疏水处理和微孔层涂覆形成。气体扩散层的质量主要取决于碳纸基材，而基材的质量则取决于上游碳纤维。碳纸的制备中，体现技术难度的主要在打浆环节，该环节需要控制打浆度以确保碳纤维的切断的长度适中，粘合剂、分散剂等溶液的材料选择与配比均会影响碳纸的性能。竞争格局方面，龙头包括日本 Toray、德国SGL以及美国 AvCarb等，其中Toray、 SGL 均布局碳纤维全产业链。

质子交换膜（PEM）：目前主流技术是全氟磺酸质子交换膜。PEM 逐渐趋于薄型化，由几十微米降低到十几微米，降低质子传递的欧姆极化，以达到更高的性能。竞争格局方面，美国的科慕和戈尔领先市场，后者产品系列最为丰富、产品实际应用案例最多，是车用燃料电池市场的主导者。国内研制能力强、已有规模化生产能力的主要是东岳未来，其以完整的含氟精细化工产业链为特点。

双极板（BP）：依材质可分为石墨双极板、金属双极板和复合双极板。氢燃料电池目前主要采用石墨板或金属板，钒液流电池倾向复合板。国产化进程方面，石墨板基本已实现国产化，金属板已有部分企业实现量产，复合板尚处研发阶段。

2.4. 钒氢求同：以双极板为例

石墨板适应需求趋于薄型化，乘用车为金属板带来机遇。石墨板：由于其高耐腐蚀性、高耐久性，以及相对较低的技术壁垒，率先实现国产化，在对体积较不敏感而对耐久性敏感的特种车、商用车领域示范应用。

然而，石墨双极板的制作周期长、机械性能差、加工难度大、制作成本高等劣势也不可忽视。市场已有越来越多的企业成功开发出超薄超精细石墨双极板，提前突破了国家制定 2025 年前单组石墨双极板厚度 1.5mm 的要求，功率密度开始接近丰田第一代金属双极板的水平。金属板：抗腐蚀性差，寿命过短是其应用的阻碍，然而随着涂层工艺的持续进步与突破，其有望实现和石墨板相同的使用寿命。丰田汽车公司率先在旗下 Mirai 燃料电池汽车上使用金属双极板和涂层，解决了腐蚀、成本和导电等一系列问题。凭借其机械性能优异、高体积功率密度、成本低廉且易批量生产等优势，金属双极板将在乘用车规模化应用的进程中实现突破。

市场格局：仍以石墨板为主，金属板或后来居上。氢燃料电池方面，2020年我国氢燃料电池双极板市场规模达 3.1 亿元，石墨板（包含碳塑复合板）和金属板的市场占比分别为 65%和 35%，2021 年石墨双极板与金属双极板趋于平分秋色。GGII 数据显示，2021 年 H1 金属双极板出货量在双极板总出货量的占比已达 45.0%（2020 年同期为 36.0%）。钒液流电池方面，基本不考虑金属板，即使是涂层处理后的金属板，在酸性液体环境中也难以长期稳定工作。石墨双极板（机加工）不被看好，因为其机加工过程复杂且成本高。钒液流电池主要采用碳塑复合板，因为其热塑或模压工艺相对机加工简单，但是混合高分子树脂所带来的电阻率增加仍是需要解决的问题。

技术趋势：细密化程度、流道深宽比更高，版型更小，能够使单板能够支撑的功率密度更高，每 kW所需板数下降，从而降低电堆集成的难度以及成本。目前 100kW 电堆一般需要 350-400 节单芯，而 Ballard 已经实现 140kW 高功率电堆仅需 309 节，大幅减少双极板数量，提升电堆功率密度。