全钒液流电池综述

我国电能资源的开发和利用
液流电池作为新型的蓄电储能装置，不仅可以作为太阳 能、风能发电系统的配套储能设备，还可以作为电网的调 峰装置，提高输电质量，保障电网安全。利用化学电源进 行蓄电储能，可以不受地理条件限制，有望实现大规模储 能，具有重大社会经济价值。

隔膜是影响VRB寿命的最关键因素，VRB中正负电极由离子 交换膜隔开，充放电时电池内部通过电解液中阳离子（主要 为H+）的定向移动而导通。离子有选择地通过离子交换膜， 防止电极间活性物质交叉污染、电池短路和两个半电池间的 水迁移。
隔膜必须同时具备以下性能： 1）高离子选择性，即钒离子透过率低、交叉污染小，H+离子透过率高； 2）高离子传导率，即离子在膜内的传递速率要快，离子在膜中的迁移速率 决定了电池充放电电流的大小； 3）良好的化学稳定性，隔膜性能越稳定，VRB使用寿命越长。 常见离子交换膜主要有两类，即Nafion膜和聚烯烃类膜。

全钒液流电池的关键材料
电 解 液
电解液是VRB 电化学反应的活性物质,是电能的载体,其性能 的好坏对电池性能有直接影响。理论上电解液可由VOSO4直接溶 解配制,但此法成本较高。实际可行的制备方法是基于V2O5 的 还原溶解,包括化学法和电解法。化学法产率低, 所加入的添加 剂完全去除困难. 随着VRB 技术的发展, 电解法已逐渐成为VRB 电解液制备的主要方法。
全钒液流电池的工作原理
VRB以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子 为正负极电极反应活性物质. 电池正负极之间以离子交换膜分隔成彼此相互独立的两 室，正极为VO2+/VO2+，负极为V2+/V3+
VRB放电时发生以下反应： 正极：VO2++2H++e-→VO2++H2O 负极：V2+→V3++e电池反应：VO2++2H++V2+→VO2++H2O+V3+
电解液的影响因素： 电解质浓度：当电解质浓度增大，电池电压升高，单位体积电池的能量 大，但其粘度和电阻加大。溶液中V最佳浓度为1.5~2.0mol/L，硫酸浓度为 3mol/L。 温度：大多数公司产品的使用温度范围是15~35℃。

全钒液流电池的关键材料
隔 膜
全钒液流电池

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Contents
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全钒液流电池的简介
全钒液流电池的工作原理 全钒液流电池的特点 全钒液流电池的关键材料 全钒液流电池的发展状况
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我国电能资源的开发和利用
随着国民经济的快速发展以及不断增长的能源需求，能源问 题已经成为制约我国经济发展和国家安全的重大问题。特别是 夏季的华东华南地区，电力供应难以为继，屡屡出现限电事件。 而另一方面，传统发电方式，譬如水电、火电等日趋饱和，除 了核电，再难有增加的潜力电能是信息社会最重要的、必不可 缺的二次能源,是经济可持续发展的保障。风能、太阳能和潮汐 能等可再生能源被认为是未来电能的有效来源,在世界范围内正 日益得到关注。 该三种能源被认为是未来电能的主要来源，但是它们在电力 供应方面严重受制于气候、天气、地理条件等因素的影响。以 风电为例，受风力大小、风向等影响大，导致其稳定性、可靠 性、可控性差。而储能可以对其进行有功无功支持，很好的改 善风电电力波动大等问题，提高电能质量。

全钒液流电池的关键材料
三种电 极 材 料
金属类电极（Ti、Au和氧化铱DSA等）的电化学活 性一般，稳定性较好，但是价格昂贵，不适合大规模应用。 碳素类电极（石墨板和石墨毡等）价格较便宜，经 过表面修饰改性后具有一定的可逆性，但容易被电解液刻 蚀而逐渐失去活性，必须对电极进行表面处理，提高电化 学活性，延长电极寿命。 复合类电极是在导电塑料板的一面贴上集流板(金 属板)，另一面贴石墨毡构成的，具有导电性、不透液性 和稳定性好，制造成本低，重量轻，易于加工成型特点。
全钒液流电池的简介
全钒液流电池（简称VRB）具备能量转换效率高，可达 70%~80%，蓄电容量大，可达百兆瓦时，理论寿命长，功 率与容量相互独立电池的大部分部件、材料科循环使用， 显示了较大的成本优势，建设周期短，系统运行和维护费 用低，特别是具有运行安全和环境友好的特点。


全Байду номын сангаас液流电池的发展状况
我国的全钒液流电池研究始于1995年，中国工程物理研究院电 子工程研究所率先在国内展开VRB电池的研究，并先后研制成功500W、 1KW 的样机，拥有电解质溶液制备、导电塑料成型等专利。 2006年大连化物所研制出额定输出功率10KW，最大放电功率 23.9KW的VRB系统，在电极设计制备、电解质溶液分配、电池组公用 管道设计、电池组装及系统设计与集成技术、容量衰减机理、电池容 量的稳定性、大功率电池模块结构的设计和优化等方面均取得进展， 并通过国家科技部验收。 此外，日本开发的聚砜阴离子交换膜在VRB储能演示系统中的 成功应用显示出了该阴离子膜具有极好的化学和电化学综合性能。 从总体来说，我国的全钒液流电池研究相对于国外，特别是在 液流电池关键材料，包括离子交换膜、电极材料、高浓度电解液以及 工程放大技术方面，尚处于起步阶段，需要积极努力，争取在近年取 得突破性进展。


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E0=1.00V E=-0.26V E0=1.26V

全钒液流电池的特点
VRB具有以下优点： （1）额定容量和额定功率容量相互独立，容量取决于电解液浓度和体积， 功率取决于电堆的尺寸，用户可根据需要调整电池容量或功率，规模储能 利用的正是此特点； （2）活性物质以离子状态存在于液体中，充放电时不发生相变或形态改 变，避免了常规电池体系中经常发生的活性物质脱落和短路现象，理论上 活性物质寿命无限长，可进行深度充放电； （3）正负极活性物质均为钒离子，不会发生电解液交叉污染导致电池过 早失效的现象； （4）电池工作时电解液处于流动状态，浓差极化小，可深度放电而不对 电池造成损伤； （5）钒离子的电化学可逆性高、电化学极化小、功率密度高，适合大电 流快速充放电； （6）启动快，可通过更换电解液实现瞬间充电；自放电小，年自放电低 于10％，充放电转化效率高，电流效率可达90％以上； (7) 电池结构简单，材料价格便宜，更换和维修费用低。

全钒液流电池的关键材料
电 极 材 料
电极是VRB 关键部件之一, 是电池电化学反应发生的场所。
VRB 对电极材料的要求是： 1、对电池正、负极电化学反应有较高的活性, 降低电极反应 的活化过电位； 2、优异的导电能力, 减少充放电过程中电池的欧姆极化； 3、较好的三维立体结构,便于电解液流动, 减少电池工作时 输送电解液的泵耗损失； 4、较高的化学及电化学稳定性, 延长电池的使用寿命。 到目前为止研究过的VRB 电极材料主要有金属类电 极、碳素类电极和复合类电极三类。