全釩液流電池（釩為活性物質(zhì)的氧化還原電池）

簡介

釩電池，全稱是全釩液流電池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB），是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動液態(tài)的氧化還原電池。早在60年代，就有鐵—鉻體系的氧化還原電池問世，但是釩系的氧化還原電池是在1985年由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Marria Kacos提出，經(jīng)過二十多年的研發(fā)，釩電池技術(shù)已經(jīng)趨近成熟。在日本，用于電站調(diào)峰和風(fēng)力儲能的固定型（相對于電動車用而言）釩電池發(fā)展迅速，大功率的釩電池儲能系統(tǒng)已投入使用，并全力推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。

這個可逆的反應(yīng)過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。正極電解液由V（Ⅴ）和V（Ⅳ）離子溶液組成，負(fù)極電解液由V（Ⅲ）和V（Ⅱ）離子溶液組成，電池充電后，正極物質(zhì)為V（Ⅴ）離子溶液，負(fù)極為V（Ⅱ）離子溶液，電池放電后，正、負(fù)極分別為V（Ⅳ）和V（Ⅲ）離子溶液，電池內(nèi)部通過H+導(dǎo)電。V（Ⅴ）和V（Ⅳ）離子在酸性溶液中分別以VO2+離子和VO2+離子形式存在，故釩電池的正負(fù)極反應(yīng)可表述如下：

充電時正極：VO+H2O→VO2+2H+e

充電時負(fù)極：V+e→V

放電時正極：VO2+2H+e→VO+H2O

放電時負(fù)極：V→V+e

關(guān)鍵材料

1、釩電池電解液全釩最初，電解液是將VOSO4直接溶解于H2SO4中制得，但由于VOSO4價格較高，人們開始把目光轉(zhuǎn)向其它釩化合物如V2O5、NH4VO3等。制備電解液的方法主要有兩種：混合加熱制備法和電解法。其中混合加熱法適合于制取lmol/L電解液，電解法可制取3~5mol/L的電解液。

2、釩電池隔膜

釩電池的隔膜必須抑制正負(fù)極電解液中不同價態(tài)的釩離子的交叉混合，而不阻礙氫離子通過隔膜，傳遞電荷。這就要求選用具有良好導(dǎo)電性和較好選擇透過性的離子交換膜，最好選用允許氫離子通過的陽離子交換膜。電池隔膜一般都以陽離子交換膜為主，也有用Nafion膜（Dupont）的，但后者價格較貴。對陽離子交換膜進(jìn)行處理，提高親水性、選擇透過性和增長使用壽命，是提高釩電池效率的途徑之一。全氟磺酸型離子交換膜是由杜邦公司率先研制成功，并以Nafion為其商標(biāo)，是性能最好的一種離子交換膜。

3、釩電池電極材料

全釩液流電池要達(dá)到大容量的儲能，必須實現(xiàn)若干個單電池的串聯(lián)或者并聯(lián)，這樣除了端電極外，基本所有的電極都要求制成雙極化電極。由于V02+的強(qiáng)氧化性及硫酸的強(qiáng)酸性，作為釩電池的電極材料必須具備耐強(qiáng)氧化和強(qiáng)酸性，電阻低，導(dǎo)電性能好，機(jī)械強(qiáng)度高，電化學(xué)活性好等特點。釩電池電極材料主要分為三類：金屬類，如Pb，Ti等；炭素類，如石墨、碳布、碳?xì)值龋粡?fù)合材料類，如導(dǎo)電聚合物、高分子復(fù)合材料等。

特點

釩電池作為儲能系統(tǒng)使用，具有以下特點：

1、電池的輸出功率取決于電池堆的大小，儲能容量取決于電解液儲量和濃度，因此它的設(shè)計非常靈活，當(dāng)輸出功率一定時，要增加儲能容量，只要增大電解液儲存罐的容積或提高電解質(zhì)濃度；

2、釩電池的活性物質(zhì)存在于液體中，電解質(zhì)離子只有釩離子一種，故充放電時無其它電池常有的物相變化，電池使用壽命長；

3、充、放電性能好，可深度放電而不損壞電池；

4、自放電低，在系統(tǒng)處于關(guān)閉模式時，儲罐中的電解液無自放電現(xiàn)象；

5、釩電池選址自由度大，系統(tǒng)可全自動封閉運行，無污染，維護(hù)簡單，操作成本低；

6、電池系統(tǒng)無潛在的爆炸或著火危險，安全性高；

7、電池部件多為廉價的碳材料、工程塑料，材料來源豐富，易回收，不需要貴金屬作電極催化劑；

8、能量效率高，可達(dá)75%~80%，性價比非常高；

9、啟動速度快，如果電堆里充滿電解液可在2min內(nèi)啟動，在運行過程中充放電狀態(tài)切換只需要0.02s。

劣勢

1、能量密度低，先進(jìn)的產(chǎn)品能量密度大概只有40Wh/kg。鉛酸電池大概有35Wh/kg。

2、因為能量密度低，又是液流電池，所以占地面積大。

3、國際先進(jìn)水平的工作溫度范圍為5°C和45°C，過高或過低都需要調(diào)節(jié)。

市場前景

釩流電池因其獨特優(yōu)點，使其在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用：

1、風(fēng)力發(fā)電市場

風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要配備功率大約相當(dāng)于其功率1%的鉛酸電池用于緊急情況時風(fēng)機(jī)保護(hù)風(fēng)葉用，另外每一臺風(fēng)機(jī)還需要配備功率大約相當(dāng)于其功率10%~50%的動態(tài)儲能電池。對于風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電，則需要更大比例的動態(tài)儲能電池，擁有眾多杰出優(yōu)點的釩電池完全可以取代現(xiàn)有的鉛酸電池，進(jìn)而構(gòu)建風(fēng)電場的動態(tài)能源儲存系統(tǒng)。

2、光伏發(fā)電

顧名思義，光伏發(fā)電需要太陽光，一旦到了晚上和陰雨天就發(fā)不了電，因而需要儲能電池為其儲存電力，由于現(xiàn)有的鉛酸電池功率、容量和壽命均非常有限，相信集眾多杰出優(yōu)點于一身的釩電池將作為光伏發(fā)電儲能電池的首選。

3、電網(wǎng)調(diào)峰

電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站，由于抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區(qū)不容易建設(shè)，而且占地面積大，維護(hù)成本高。釩電池儲能電站不受地理條件限制，選址自由，占地少，維護(hù)成本低。可以預(yù)期，隨著釩電池技術(shù)的發(fā)展，釩電池儲能電站將逐步取代抽水蓄能電站，在電網(wǎng)調(diào)峰中發(fā)揮重要的作用。

4、電動汽車電源

釩電池由于自身的獨特結(jié)構(gòu)，充電接受能力強(qiáng)，適應(yīng)快速大電流充電及大電流深度放電，比功率大，比能量高，適合于作電動汽車的動力電源，也可以解決汽車尾氣排放而造成的空氣污染問題。釩電池作為汽車驅(qū)動力的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)“瞬間充電”（直接更換或補(bǔ)充電解液）。

5、不間斷電源和應(yīng)急電源

作為UPS可用于辦公大樓、劇院、醫(yī)院等應(yīng)急照明場所，也可用作計算機(jī)以及一些軍事設(shè)備的備用電源。

6、供電系統(tǒng)

海島、偏遠(yuǎn)地區(qū)等地區(qū)建設(shè)常規(guī)電站或建設(shè)架設(shè)輸電線路造價高昂，使用釩電池并配以太陽能、風(fēng)能等發(fā)電裝置，可保障這些地區(qū)的穩(wěn)定電力供應(yīng)。另外釩電池還可以作為郵電通訊、鐵路發(fā)送信號、無線電傳播站等供電系統(tǒng)。

7、軍用蓄電

要求

1、電池管理系統(tǒng)應(yīng)具有對電池堆或者電解液循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、信息傳遞和安全管理的功能。?

2、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能檢測電池堆與熱、電和流體相關(guān)的數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括電池堆的電壓、電池堆回路電流和管路內(nèi)溫度、壓力、流量及儲液罐內(nèi)的液位等參數(shù)。?

3、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能對電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行實時估算。?

4、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能對電池系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，并可以根據(jù)具體故障內(nèi)容啟動相應(yīng)的故障機(jī)制，比如故障代碼上報、實時警示和故障保護(hù)等。?

5、電池管理系統(tǒng)應(yīng)有與儲能電站及其相關(guān)設(shè)備基于通訊的信息交互功能。?

6、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能通過與儲能電站內(nèi)能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的實時通訊或者其他信號交互方式實現(xiàn)對充放電過程的控制和管理。