簡(jiǎn)介

釩電池，全稱(chēng)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(dòng)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(wèn)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(guò)二十多年的研發(fā)，釩電池技術(shù)已經(jīng)趨近成熟。在日本，用于電站調峰和風(fēng)力儲能的固定型（相對于電動(dòng)車(chē)用而言）釩電池發(fā)展迅速，大功率的釩電池儲能系統已投入使用，并全力推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。

這個(gè)可逆的反應過(guò)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，負極為V（Ⅱ）離子溶液，電池放電后，正、負極分別為V（Ⅳ）和V（Ⅲ）離子溶液，電池內部通過(guò)H+導電。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，故釩電池的正負極反應可表述如下：

充電時(shí)正極：VO+H2O→VO2+2H+e

充電時(shí)負極：V+e→V

放電時(shí)正極：VO2+2H+e→VO+H2O

放電時(shí)負極：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(jià)格較高，人們開(kāi)始把目光轉向其它釩化合物如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極電解液中不同價(jià)態(tài)的釩離子的交叉混合，而不阻礙氫離子通過(guò)隔膜，傳遞電荷。這就要求選用具有良好導電性和較好選擇透過(guò)性的離子交換膜，最好選用允許氫離子通過(guò)的陽(yáng)離子交換膜。電池隔膜一般都以陽(yáng)離子交換膜為主，也有用Nafion膜（Dupont）的，但后者價(jià)格較貴。對陽(yáng)離子交換膜進(jìn)行處理，提高親水性、選擇透過(guò)性和增長(cháng)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，是性能最好的一種離子交換膜。

3、釩電池電極材料

全釩液流電池要達到大容量的儲能，必須實(shí)現若干個(gè)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+的強氧化性及硫酸的強酸性，作為釩電池的電極材料必須具備耐強氧化和強酸性，電阻低，導電性能好，機械強度高，電化學(xué)活性好等特點(diǎn)。釩電池電極材料主要分為三類(lèi)：金屬類(lèi)，如Pb，Ti等；炭素類(lèi)，如石墨、碳布、碳氈等；復合材料類(lèi)，如導電聚合物、高分子復合材料等。

特點(diǎn)

釩電池作為儲能系統使用，具有以下特點(diǎn)：

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，因此它的設計非常靈活，當輸出功率一定時(shí)，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(shí)無(wú)其它電池常有的物相變化，電池使用壽命長(cháng)；

3、充、放電性能好，可深度放電而不損壞電池；

4、自放電低，在系統處于關(guān)閉模式時(shí)，儲罐中的電解液無(wú)自放電現象；

5、釩電池選址自由度大，系統可全自動(dòng)封閉運行，無(wú)污染，維護簡(jiǎn)單，操作成本低；

6、電池系統無(wú)潛在的爆炸或著(zhù)火危險，安全性高；

7、電池部件多為廉價(jià)的碳材料、工程塑料，材料來(lái)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75%~80%，性?xún)r(jià)比非常高；

9、啟動(dòng)速度快，如果電堆里充滿(mǎn)電解液可在2min內啟動(dòng)，在運行過(guò)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(guò)高或過(guò)低都需要調節。

市場(chǎng)前景

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

1、風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)

風(fēng)力發(fā)電機需要配備功率大約相當于其功率1%的鉛酸電池用于緊急情況時(shí)風(fēng)機保護風(fēng)葉用，另外每一臺風(fēng)機還需要配備功率大約相當于其功率10%~50%的動(dòng)態(tài)儲能電池。對于風(fēng)機離網(wǎng)發(fā)電，則需要更大比例的動(dòng)態(tài)儲能電池，擁有眾多杰出優(yōu)點(diǎn)的釩電池完全可以取代現有的鉛酸電池，進(jìn)而構建風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)能源儲存系統。

2、光伏發(fā)電

顧名思義，光伏發(fā)電需要太陽(yáng)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(diǎn)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)調峰

電網(wǎng)調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(gè)水庫，受地理條件限制較大，在平原地區不容易建設，而且占地面積大，維護成本高。釩電池儲能電站不受地理條件限制，選址自由，占地少，維護成本低?？梢灶A期，隨著(zhù)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)調峰中發(fā)揮重要的作用。

4、電動(dòng)汽車(chē)電源

釩電池由于自身的獨特結構，充電接受能力強，適應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(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電源，也可以解決汽車(chē)尾氣排放而造成的空氣污染問(wèn)題。釩電池作為汽車(chē)驅動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)是能夠實(shí)現“瞬間充電”（直接更換或補充電解液）。

5、不間斷電源和應急電源

作為UPS可用于辦公大樓、劇院、醫院等應急照明場(chǎng)所，也可用作計算機以及一些軍事設備的備用電源。

6、供電系統

海島、偏遠地區等地區建設常規電站或建設架設輸電線(xiàn)路造價(jià)高昂，使用釩電池并配以太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電裝置，可保障這些地區的穩定電力供應。另外釩電池還可以作為郵電通訊、鐵路發(fā)送信號、無(wú)線(xiàn)電傳播站等供電系統。

7、軍用蓄電

要求

1、電池管理系統應具有對電池堆或者電解液循環(huán)系統的數據采集、信息傳遞和安全管理的功能。?

2、電池管理系統應能檢測電池堆與熱、電和流體相關(guān)的數據，相關(guān)數據至少包括電池堆的電壓、電池堆回路電流和管路內溫度、壓力、流量及儲液罐內的液位等參數。?

3、電池管理系統應能對電池系統的荷電狀態(tài)（SOC）進(jìn)行實(shí)時(shí)估算。?

4、電池管理系統應能對電池系統進(jìn)行故障診斷，并可以根據具體故障內容啟動(dòng)相應的故障機制，比如故障代碼上報、實(shí)時(shí)警示和故障保護等。?

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

6、電池管理系統應能通過(guò)與儲能電站內能量轉化系統的實(shí)時(shí)通訊或者其他信號交互方式實(shí)現對充放電過(guò)程的控制和管理。