储能技术路线选择锂电钠电氢能钒电产业链谁将胜出？

　　（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。
　　国内产业化进程正在加速：据 GGII 统计，2021 年期间，国内主流双极板企业出货量增长显著，金属双极板领域已出现单个企业单个客户出货达百万片级别的现象；石墨板市场各家出货也均有较大增长，表现明显的是原万片级出货企业的出货量级达到 10 万片以上，头部企业的出货更是达到了 50 万片/年以上。
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