全钒液流电池 PPT课件
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• 钒电池生产工艺简单，价格经济，电性能优异， 与制造复杂、价格昂贵的燃料电池相比，在大规 模储能的应用前景方面，更具竞争实力。
液流储能系统的应用领域
应急、替代电源
液流储能装置
与风能、太阳能等可再生能源发电系统 配套使用，使其稳定供电 火力发电及核电站的电网调峰，特别适合直流用电大户储存“谷电” 用作自然灾害、战争等非常时期应急电源，重要军事基地的备用电站 设计成代替铅酸蓄电池用做潜艇潜航的 动力电源
• （3）电解液 电解液是钒电池中起电化学反应的活性物 质，要求其具有较高的稳定性和电导率。确定电解液的纯 度并对关键杂质的含量进行控制是非常重要的。此外，还 需要向电解液中加入某些适量的稳定剂，以提高电解液的 长期稳定性、温度适应范围等。
• （4）隔膜 钒电池隔膜的作用是将正负半电池中的电解 液分开，只让H+自由通过。理想的隔膜应具备离子不渗 透、H+迁移速度快、而电阻小、耐腐蚀、耐氧化和寿命 长等性能。
• （2）控制系统 控制系统主要包括充放电控制系统和泵循 环系统。
• ①充放电控制系统 充电控制系统主要由直流交换模块和均 流控制电路组成，将太阳能光伏发电系统发出的电转换成钒 电池系统的化学能；放电控制系统是通过逆变器将钒电池输 出的直流电转换成交流电，供用电系统使用。
• ②泵循环系统 泵循环系统为钒电池提供基本的运行条件。 泵选用直流泵且耐酸腐蚀。
电池系统组装设计灵活，易于模块组合
活性物质以液体状态贮存于 电堆外的储液罐中， 电池容量取决于外部活 性物质浓度和容量多少； 功率输出和能量储存是相互 独立的。
充/放电可通过 简单增加电解液
体积来实现
钒液流电池具有的特征 电池系统易于维护，安全稳定
电池的反应不存在固相 反应，容易保证电堆的 一致性和均匀性
钒液流电池利用钒有Ｖ5+、Ｖ4+、Ｖ3+和Ｖ2+多种价态，可形成 相邻价态的电对的特点组成电池，电解质作为只传导离子的非 电子导体，其内部的电荷平衡是通过溶液中H+在离子交换膜两 侧的迁移来完成。，标准电位差约为1.25Ｖ.
正极由Ｖ5+/Ｖ4+电对组成 :
负极由Ｖ3+/Ｖ2+电对组成 :
V电池能量储存在溶液中, 所以系统容量由电解液的容 器尺寸所决定，功率由电池组的尺寸决定. 因此， V电 池更象可充电的燃料电池，而不象普通的电池。
全钒液流电池
1.钒电池的工作原理 2.钒电池的特点 3.钒电池的组成 4.钒电池的材料 5.钒电池的应用领域
• 全钒液流是液流电池（也称氧化还原液流蓄电系统） 家族中的一员。液流电池最早由美国航空航天局 （NASA）资助设计。1974年由H.L.Thaller公开发 表并申请了专利。30年来，多国学者通过交换2个 氧化-还原电对，提出了多种不同的液流电池体系。
钒电池个价态电解液的颜色以及电池运行过程
5.全钒液流电池研发
清华大学
中南大学
大连化物所
住友电工
VRB Power System
关西电力 （株）
发明者
5.1钒电池存在问题：
• 1）电池体积太大； 2）பைடு நூலகம்池对环境温度要求太高；循环寿命问题 3）价格贵； 4）系统复杂
• 5）能量转换效率。
6.钒电池的应用
• 石墨毡/碳毡按照原材料的不同主要分为聚丙烯腈基和粘 胶基两大类。
• （1）电堆 电堆是钒电池系统的核心部分，它是电化学反 应的场所和实现储能系统电能喝化学能相互转换的场所。电 堆对储能系统的成本、功率、循环寿命、效率和维护等性能 均有至关重要的作用。
• 电堆由集流体、液流框、电极和隔膜组成。将组装好的钒电 堆与电解液储液罐相连，形成充放电回路，循环泵使得电解 液不断地循环流动，钒电池组就能进行充放电实验。
• 全钒氧化还原液流电池（VRB）的原理最早在 1984 年，由新南威尔士大学的 Maria SkyllasKazacos 等研究人员提出，之后经技术转让和发 展，在澳大利亚、 日本和加拿大得到深入研究
1.钒液流电池的原理
具有不同价态的钒离子溶液分别作为 正极和负极的活性物质，分别储存在 各自的电解液储罐中。在对电池进行 充、放电实验时，电解液通过泵的作 用，由外部贮液罐分别循环流经电池 的正极室和负极室，并在电极表面发 生氧化和还原反应，实现对电池的充 放电
• （2）膜材料 隔膜是亲水性的，即允许H+自由通过，又要求必 须抑制正负极电解液中不同价态的钒离子的相互混合，以避免电 池内部短路，同时具有良好的导电性和选择性。离子交换膜一般 选用交换H+的氧离子交换膜。Nafion材料是钒电池的常用的隔膜 材料，不足之处在于它的价格昂贵，其成本占整个电堆的 60%~70%，因此隔膜材料的国产化合气体隔膜的改性处理是钒 电池隔膜的发展方向和解决重点。
其工作温度 为室温条件， 系统安全稳 定
电池的电解液均置于相同的储液罐中， 两个电池的放电状态是相同的
3. 钒液流电池的组成
• 钒电池主要由电堆、控制系统和电解液组成
• 单个电池由电极、隔膜、双极板和板框组成。单个电池组 装成电堆。
• 钒电池的电极材料有石墨毡和碳毡之分。烧制温度高、石 墨化程度高的产品，就可以叫做石墨毡；而烧制温度低一 些或者低很多、石墨化程度相对低的产品，就可以叫做碳 毡。
• 它具有特殊的电池结构，可深度大电流密度放电； 充电迅速；比能量高；价格低廉；
• 应用领域十分广阔：如可作为大厦、机场、程控 交换站备用电源；可作为太阳能等清洁发电系统 的配套储能装置；为潜艇、远洋轮船提供电力以 及用于电网调峰等。
• 钒电池成本与铅酸电池相近，它还可制备兆瓦级 电池组，大功率长时间提供电能，因此钒电池在 大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可 比拟的性价比优势。
钒液流电池应用领域
电源调峰 不间断电源 应急电源系统
边缘地区储能系统
风能发电系统
大规摸的光电 转换系统
全钒液流电池应用领域示意图
钒液流电池应用领域
钒液流电池的应用对我们国家边缘地区的电力扶贫以 及基本建设有着举足轻重的意义：
位于内蒙古、新疆、 西藏、青海、甘肃等 中西部地区的散居农 牧民由于远离电网和 居住分散，难以通过 延伸电网供电。
2.钒液流电池的特征
• 钒电池利用不同价态的钒离子的氧化还原反应来 实现电能和化学能的转换，具有以下8个主要特点： ①电池的功率和容量可以分开设计，增加容量方 便；②自放电率低，长时间储存，钒电池的储能 系统达到兆瓦级；③过放电能力强；④钒电池的 电解液循环流动，消除了热失控和电化学极化的 问题，实现大电流充放电；⑤温度对钒电池的影 响相对小；⑥循环寿命长；⑦电解液循环使用， 减少环境污染；⑧成本低和维护简单等。
4.钒电池的材料
• 钒电池所用的材料包括集流体、膜材料和电解液等。 • （1）双极板 双极板主要选用石墨板和导电塑料。 • ①石墨板 石墨板具有导电性好和大电流充放电等优点，但
是缺点很明显：石墨板易刻蚀，尤其在过充的条件下，容易 被电化学腐蚀；如果严重时被电化学腐蚀穿透，导致钒电池 正、负极电解液串液，这将影响钒电池的使用寿命；石墨板 价格贵、脆性大等。这些缺点严重影响了石墨板在钒电池中 的应用。 • ②导电塑料 导电塑料具有密度小、易加工成型、成本低和 适合大规模连续生产等特点，因此导电塑料集流体是未来研 究发展的热点。常用的膜材料有Daramic膜、Nafion膜和 Selemion AMV等。 • 双极板，一方面起到导电的作用，也就是把相邻的正极和负 极连接起来（这时候功能就像导线一样）；另一方面起到分 隔正负极电解液的作用。
浙江、山东、 福建、江苏、 广东、海南等 省的沿海岛屿
据粗略统计，这些地区共有约一亿人口尚未解决可靠供电问题
• （3）电解液材料 钒电池的电解液由不同价态钒的离子溶液和 支持电解质组成，其正极物质为V（Ⅴ）/V（Ⅳ）溶液，负极物 质为V（Ⅲ）/V（Ⅱ）溶液。钒电池的溶液既是电极活性物质， 又是电解液，要求能够长期稳定存在，同时化学活性高。
• 增大钒溶液的稳定性主要有两种方法：一种是提高溶液的酸度； 另一种是加入添加剂，如EDTA、吡啶和明胶等。溶液浓度适当 提高和寻求适当的添加剂是钒电池溶液的重要研究方向。
• 电解法采取隔膜电解法以及通过电解V2O3和NH4 VO3两种方 法。
• 钒电池电解液通常硫酸浓度为1.5～5mol·L-1，钒离子的浓度 从1~2.5mol·L-1
充电结束时，正极为淡黄色的V5+，负极为紫色的V2+，放电完成时，正极 为正极为蓝色的V4+，负极为浅绿的V3+所以可以通常利用电解液的颜色 判断充放电状态，在充放电过程中，负极需要密封，防止氧化
• 制备电解液的方法主要有两种：混合加热制备法和电解法。 混 合 加 热 法 适 合 于 制 取 1mol/L 电 解 液 ， 电 解 法 可 制 取 3~5mol/L的电解液。
• 混合加热制备法是将V2O3在H2SO4中溶解活化，然后用还原 剂使V（Ⅴ）还原为V（Ⅳ）或V（Ⅲ）即可得到。利用亚 硫酸还原取得了较好效果。
液流储能系统的应用领域
应急、替代电源
液流储能装置
与风能、太阳能等可再生能源发电系统 配套使用，使其稳定供电 火力发电及核电站的电网调峰，特别适合直流用电大户储存“谷电” 用作自然灾害、战争等非常时期应急电源，重要军事基地的备用电站 设计成代替铅酸蓄电池用做潜艇潜航的 动力电源
• （3）电解液 电解液是钒电池中起电化学反应的活性物 质，要求其具有较高的稳定性和电导率。确定电解液的纯 度并对关键杂质的含量进行控制是非常重要的。此外，还 需要向电解液中加入某些适量的稳定剂，以提高电解液的 长期稳定性、温度适应范围等。
• （4）隔膜 钒电池隔膜的作用是将正负半电池中的电解 液分开，只让H+自由通过。理想的隔膜应具备离子不渗 透、H+迁移速度快、而电阻小、耐腐蚀、耐氧化和寿命 长等性能。
• （2）控制系统 控制系统主要包括充放电控制系统和泵循 环系统。
• ①充放电控制系统 充电控制系统主要由直流交换模块和均 流控制电路组成，将太阳能光伏发电系统发出的电转换成钒 电池系统的化学能；放电控制系统是通过逆变器将钒电池输 出的直流电转换成交流电，供用电系统使用。
• ②泵循环系统 泵循环系统为钒电池提供基本的运行条件。 泵选用直流泵且耐酸腐蚀。
电池系统组装设计灵活，易于模块组合
活性物质以液体状态贮存于 电堆外的储液罐中， 电池容量取决于外部活 性物质浓度和容量多少； 功率输出和能量储存是相互 独立的。
充/放电可通过 简单增加电解液
体积来实现
钒液流电池具有的特征 电池系统易于维护，安全稳定
电池的反应不存在固相 反应，容易保证电堆的 一致性和均匀性
钒液流电池利用钒有Ｖ5+、Ｖ4+、Ｖ3+和Ｖ2+多种价态，可形成 相邻价态的电对的特点组成电池，电解质作为只传导离子的非 电子导体，其内部的电荷平衡是通过溶液中H+在离子交换膜两 侧的迁移来完成。，标准电位差约为1.25Ｖ.
正极由Ｖ5+/Ｖ4+电对组成 :
负极由Ｖ3+/Ｖ2+电对组成 :
V电池能量储存在溶液中, 所以系统容量由电解液的容 器尺寸所决定，功率由电池组的尺寸决定. 因此， V电 池更象可充电的燃料电池，而不象普通的电池。
全钒液流电池
1.钒电池的工作原理 2.钒电池的特点 3.钒电池的组成 4.钒电池的材料 5.钒电池的应用领域
• 全钒液流是液流电池（也称氧化还原液流蓄电系统） 家族中的一员。液流电池最早由美国航空航天局 （NASA）资助设计。1974年由H.L.Thaller公开发 表并申请了专利。30年来，多国学者通过交换2个 氧化-还原电对，提出了多种不同的液流电池体系。
钒电池个价态电解液的颜色以及电池运行过程
5.全钒液流电池研发
清华大学
中南大学
大连化物所
住友电工
VRB Power System
关西电力 （株）
发明者
5.1钒电池存在问题：
• 1）电池体积太大； 2）பைடு நூலகம்池对环境温度要求太高；循环寿命问题 3）价格贵； 4）系统复杂
• 5）能量转换效率。
6.钒电池的应用
• 石墨毡/碳毡按照原材料的不同主要分为聚丙烯腈基和粘 胶基两大类。
• （1）电堆 电堆是钒电池系统的核心部分，它是电化学反 应的场所和实现储能系统电能喝化学能相互转换的场所。电 堆对储能系统的成本、功率、循环寿命、效率和维护等性能 均有至关重要的作用。
• 电堆由集流体、液流框、电极和隔膜组成。将组装好的钒电 堆与电解液储液罐相连，形成充放电回路，循环泵使得电解 液不断地循环流动，钒电池组就能进行充放电实验。
• 全钒氧化还原液流电池（VRB）的原理最早在 1984 年，由新南威尔士大学的 Maria SkyllasKazacos 等研究人员提出，之后经技术转让和发 展，在澳大利亚、 日本和加拿大得到深入研究
1.钒液流电池的原理
具有不同价态的钒离子溶液分别作为 正极和负极的活性物质，分别储存在 各自的电解液储罐中。在对电池进行 充、放电实验时，电解液通过泵的作 用，由外部贮液罐分别循环流经电池 的正极室和负极室，并在电极表面发 生氧化和还原反应，实现对电池的充 放电
• （2）膜材料 隔膜是亲水性的，即允许H+自由通过，又要求必 须抑制正负极电解液中不同价态的钒离子的相互混合，以避免电 池内部短路，同时具有良好的导电性和选择性。离子交换膜一般 选用交换H+的氧离子交换膜。Nafion材料是钒电池的常用的隔膜 材料，不足之处在于它的价格昂贵，其成本占整个电堆的 60%~70%，因此隔膜材料的国产化合气体隔膜的改性处理是钒 电池隔膜的发展方向和解决重点。
其工作温度 为室温条件， 系统安全稳 定
电池的电解液均置于相同的储液罐中， 两个电池的放电状态是相同的
3. 钒液流电池的组成
• 钒电池主要由电堆、控制系统和电解液组成
• 单个电池由电极、隔膜、双极板和板框组成。单个电池组 装成电堆。
• 钒电池的电极材料有石墨毡和碳毡之分。烧制温度高、石 墨化程度高的产品，就可以叫做石墨毡；而烧制温度低一 些或者低很多、石墨化程度相对低的产品，就可以叫做碳 毡。
• 它具有特殊的电池结构，可深度大电流密度放电； 充电迅速；比能量高；价格低廉；
• 应用领域十分广阔：如可作为大厦、机场、程控 交换站备用电源；可作为太阳能等清洁发电系统 的配套储能装置；为潜艇、远洋轮船提供电力以 及用于电网调峰等。
• 钒电池成本与铅酸电池相近，它还可制备兆瓦级 电池组，大功率长时间提供电能，因此钒电池在 大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可 比拟的性价比优势。
钒液流电池应用领域
电源调峰 不间断电源 应急电源系统
边缘地区储能系统
风能发电系统
大规摸的光电 转换系统
全钒液流电池应用领域示意图
钒液流电池应用领域
钒液流电池的应用对我们国家边缘地区的电力扶贫以 及基本建设有着举足轻重的意义：
位于内蒙古、新疆、 西藏、青海、甘肃等 中西部地区的散居农 牧民由于远离电网和 居住分散，难以通过 延伸电网供电。
2.钒液流电池的特征
• 钒电池利用不同价态的钒离子的氧化还原反应来 实现电能和化学能的转换，具有以下8个主要特点： ①电池的功率和容量可以分开设计，增加容量方 便；②自放电率低，长时间储存，钒电池的储能 系统达到兆瓦级；③过放电能力强；④钒电池的 电解液循环流动，消除了热失控和电化学极化的 问题，实现大电流充放电；⑤温度对钒电池的影 响相对小；⑥循环寿命长；⑦电解液循环使用， 减少环境污染；⑧成本低和维护简单等。
4.钒电池的材料
• 钒电池所用的材料包括集流体、膜材料和电解液等。 • （1）双极板 双极板主要选用石墨板和导电塑料。 • ①石墨板 石墨板具有导电性好和大电流充放电等优点，但
是缺点很明显：石墨板易刻蚀，尤其在过充的条件下，容易 被电化学腐蚀；如果严重时被电化学腐蚀穿透，导致钒电池 正、负极电解液串液，这将影响钒电池的使用寿命；石墨板 价格贵、脆性大等。这些缺点严重影响了石墨板在钒电池中 的应用。 • ②导电塑料 导电塑料具有密度小、易加工成型、成本低和 适合大规模连续生产等特点，因此导电塑料集流体是未来研 究发展的热点。常用的膜材料有Daramic膜、Nafion膜和 Selemion AMV等。 • 双极板，一方面起到导电的作用，也就是把相邻的正极和负 极连接起来（这时候功能就像导线一样）；另一方面起到分 隔正负极电解液的作用。
浙江、山东、 福建、江苏、 广东、海南等 省的沿海岛屿
据粗略统计，这些地区共有约一亿人口尚未解决可靠供电问题
• （3）电解液材料 钒电池的电解液由不同价态钒的离子溶液和 支持电解质组成，其正极物质为V（Ⅴ）/V（Ⅳ）溶液，负极物 质为V（Ⅲ）/V（Ⅱ）溶液。钒电池的溶液既是电极活性物质， 又是电解液，要求能够长期稳定存在，同时化学活性高。
• 增大钒溶液的稳定性主要有两种方法：一种是提高溶液的酸度； 另一种是加入添加剂，如EDTA、吡啶和明胶等。溶液浓度适当 提高和寻求适当的添加剂是钒电池溶液的重要研究方向。
• 电解法采取隔膜电解法以及通过电解V2O3和NH4 VO3两种方 法。
• 钒电池电解液通常硫酸浓度为1.5～5mol·L-1，钒离子的浓度 从1~2.5mol·L-1
充电结束时，正极为淡黄色的V5+，负极为紫色的V2+，放电完成时，正极 为正极为蓝色的V4+，负极为浅绿的V3+所以可以通常利用电解液的颜色 判断充放电状态，在充放电过程中，负极需要密封，防止氧化
• 制备电解液的方法主要有两种：混合加热制备法和电解法。 混 合 加 热 法 适 合 于 制 取 1mol/L 电 解 液 ， 电 解 法 可 制 取 3~5mol/L的电解液。
• 混合加热制备法是将V2O3在H2SO4中溶解活化，然后用还原 剂使V（Ⅴ）还原为V（Ⅳ）或V（Ⅲ）即可得到。利用亚 硫酸还原取得了较好效果。