全釩液流電池

　　釩電池，全稱是全釩液流電池（VanadiumRedoxFlowBattery，VRB），是一種活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池。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的MarriaKacos提出，經過二十多年的研發，釩電池技術已經趨近成熟。在日本，用于電站調峰和風力儲能的固定型（相對于電動車用而言）釩電池發展迅速，大功率的釩電池儲能系統已投入實用，并全力推進其商業化進程。

　　釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內，在機械動力作用下，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環流動，采用質子交換膜作為電池組的隔膜，電解質溶液平行流過電極表面并發生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能。這個可逆的反應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：

　　釩電池關鍵材料

　　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，人們開始把目光轉向其它釩化合物如V2O5、NH4VO3等。目前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態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，是目前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，必須實現若干個單電池的串聯或者并聯，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、碳氈等；復合材料類，如導電聚合物、高分子復合材料等。

　　釩電池的特點

　　釩電池作為儲能系統使用，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，因此它的設計非常靈活，當輸出功率一定時，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濃度；

　　2.釩電池的活性物質存在于液體中，電解質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，在系統處于關閉模式時，儲罐中的電解液無自放電現象；

　　5.釩電池選址自由度大，系統可全自動封閉運行，無污染，維護簡單，操作成本低；

　　6.電池系統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內啟動，在運行過程中充放電狀態切換只需要0.02s。

　　目前全釩液流電池的劣勢

　　1.能量密度低，目前先進的產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.目前國際先進水平的工作溫度范圍為5°和45°C，過高或過低都需要調節。

　　釩電池市場前景

　　釩流電池因其獨特優點，使其在許多領域有著廣泛的應用：

　　1.風力發電市場

　　目前風力發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風機保護風葉用，另外每一臺風機還需要配備功率大約相當于其功率10%~50%的動態儲能電池。對于風機離網發電，則需要更大比例的動態儲能電池，擁有眾多杰出優點的釩電池完全可以取代現有的鉛酸電池，進而構建風電場的動態能源儲存系統。圖2為日本Tomamae風電場4MW×1.5hourVRB-ESS（SEI公司）。

　　2.光伏發電

　　顧名思義，光伏發電需要太陽光，一旦到了晚上和陰雨天就發不了電，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，相信集眾多杰出優點于一身的釩電池將作為光伏發電儲能電池的首選。圖3是離網光伏儲能釩電池充電站。

　　3.電網調峰

　　電網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，隨著釩電池技術的發展，釩電池儲能電站將逐步取代抽水蓄能電站，在電網調峰中發揮重要的作用。

　　4.電動汽車電源

　　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。釩電池作為汽車驅動力的優點是能夠實現“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、醫院等應急照明場所，也可用作計算機以及一些軍事設備的備用電源。圖4是南卡羅來納州空軍基地60KWhVRB-ESS系統。

　　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路造價高昂，使用釩電池并配以太陽能、風能等發電裝置，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、鐵路發送信號、無線電傳播站等供電系統。