钒电池发展状况及展望

钒电池发展状况及展望
1 国内外研发和应用现状
有关钒电池的应用研究主要集中在储能领域。

国外研发机构投入大量的资金，进行长达数十年的深入研究，并相继在泰国、日本、美国、南非等地建成了KW-MW 级的钒电池储能系统，用于电站调峰，并给边远地区供电。

目前,国内外多家卓有成效的研发和应用机构进行着钒电池研发，并已步入商业化阶段。

1.1澳大利亚
钒液流电池的研发工作最早始于1984年，由澳大利亚新南威尔士大学M Sya llas-K azacos提出。

1986年，钒液流电池体系获得专利。

之后，对钒液流电池的相关材料，如隔膜、导电聚合物电极、石墨毡等进行了研究，并取得了多项专利。

1994年，钒液流电池用在高尔夫车上,4kWh钒液流电池在潜艇上作为备用电源。

1997年UNSW 将专利权转售给澳大利亚Pinnacle矿业公司，新南威尔士大学停止了V2+/V3+电对和V4+/V5+电对在硫酸体系类型的钒电池研究。

Pinnacle公司又于1999年将在日本和非洲大陆的专利许可分别授予了日本住友公司和加拿大Vanteck公司。

1.2普能国际—加拿大VRB能源系统公司
其前身为加拿大Vanteck技术公司，2001年10月通过控股Pinnacle公司，从而拥有钒电池核心技术，2002年改名为VRB能源系统公司(VRB Power Systerms)，从事钒电池技术的开发和转让。

2008年11月，VRB能源公司因为财务问题和经济危机，停止了其所有业务。

2009年北京普能公司收购了VRB能源公司，成立普能国际。

1.3泰国
Cellennium(泰国)有限公司是一家致力于钒电池开发的公司，其钒电池单电池开路电压从 1.1V—1.6V，电池堆垂直放置并采用独有的溶液串联结构设计，优点表现在：基本消除旁路电流；由于易于检测堵塞和电解水可迅速被阻止因而非常安全；电解液流速和泵功率比溶液并联结构小因而系统效率高。

另外，该公司电解液制备也很有特点：可持续生产，成本低。

1.4日本
目前，日本已建立了15座液流储能电池电站，并向意大利和南非出口了两座全钒液流储能电池系统。

1.4.1住友电工
住友电工与Kansai Electric Power公司自1985年开始合作开发钒液流电池。

1989年，住友电工的电站调峰用60kW级钒液流电池建成，运行5年，循环1819次。

1991~ 1994年研制成功60kW电堆，电堆运行5年，循环周期达1819次。

目前，住友电工的20kW实验室钒液流电池电堆已循环16000次，除了电池隔膜的寿命有限，其他组件包括电解液，都是可以循环使用的，这一特性较其他寿命有限的化学电源来有很大的成本优势。

住友电工自2001年起建设的商用钒液流电池系统，其经掌握完整的生产和组建钒电池系统的全套技术，其技术成熟度居世界首位。

1.4.2日本K ashima- K ita电力公司
Kashima- Kita电力公司是日本最大的私营电力公司,与日本电工实验室从1990
年开始开发VRB技术,1992年获得UNSW专利许可。

日本的其它研发机构有：三菱化工1993年获得UNSW 专利许可，1994年开发光伏系统用钒电池储能系统，建成50kW×50h(单电堆为2kW×5h)系统。

1997年，横滨大学开展钒电池隔膜商业化的研究。

离子交换膜采用交联技术得到好的性能，钒电池电流效率93.5%，电压效率达87.7%，总效率达82%。

日本NEDO在北海道实施了2003~ 2007年的实证试验项目,为Hokkaido公司30.6MW风力发电厂提供6MW×20min或4MW×1.5h储电容量，作为风能发电并网前的稳定化。

1.5美国
2009年美国能源部投入370万美元在俄亥俄安装1MW /8MWh钒电池系统用于智能电网示范,蒙大拿也将安装50kW×6h钒电池系统用于50kW风电场发电。

1.6奥地利
Cellstrom是奥地利专注于钒电池储能系统开发的公司，从2002年开始至2008年开发出第一个系列产品FB10 /100, 可提供10kW/100kWh电力，48V直流电，DC to DC效率为80%，尺寸为4100×2200×2405。

该电池用于太阳能电动汽车充电站，可再生能源发电厂，离网电场以及通讯基站。

1.7北京普能世纪科技有限公司
普能公司于2006年成立，专注于钒电池的研发、制造与商业化应用。

2009年1月,普能公司实现对加拿大VRB Power System 公司(VRB Power公司) 的资产收购，包括VRBPower公司拥有或控制的所有专利、商标、技术秘密、设备材料等。

此外，VRB Power公司的核心技术团队加入合并后的公司，为普能公司带来超过十年的钒电池领域研发经验,使其在电堆构造、关键材料、系统集成等方面取得突破性的进展。

目前,普能公司总部与工厂位于北京，在加拿大运营的公司名称为普能国际。

普能公司拥有钒电池领域29项专利覆盖全球24个国家和地区,这些专利包括核心电堆设计、电解液配置、系统集成设计,以及在风力发电、离网供电系统和智能电网等领域的应用。

1.8中科院大连化物所
大化所2006年和2008年分别开发出国内首台10kW和100kW全钒液流储能电池系统。

研制的额定输出为10kW的电池模块。

最大稳定放电功率达到28.8kW以上；研制的全钒液流储能电池系统的额定输出功率为100kW，能量转换效率达到75%。

2008年8月同西藏太阳能研究示范中心合作，在西藏进行“太阳能光伏发电液流储能电池储电”联合供电系统的应用示范。

2009年7月，安装成功了一套“太阳能光伏发电—5kW/50kWh液流电池储电”联合供电系统。

截至2010年3月，示范系统已连续、无故障运行8个月。

大化所钒电池演示系统设计为2kW，8kWh，至今实现全充/全放循环6700余次。

经测试,电池模块的充/放电能量转化效率未见衰减。

1.9沈阳金属研究所
金属所金属腐蚀与防护国家重点实验室自2000年以来，在沈阳市、辽宁省及国家多个项目资助下，在钒电池双极板、溶液、隔膜等关键材料的制备与评价、钒电池工作机制及影响规律、电池结构与集成等方面取得了较显著的技术进展。

在沈阳市科技计划的支持下，在沈阳科学宫建立了光伏发电—钒电池储能示范电站，为科学宫的亮化提供电力，并兼具科研和科普展示功能。

1.10清华大学与承德万里通
承德万利通集团与清华大学联合组成了液流电池研究中心。

全钒液流储能电池项
目是承德市百项工程，项目总投资5.56亿元，占地360亩,建筑面积14万平方米，年产四种规格总容量500MKWH 的全钒液流电池8600组。

将建成：①5千瓦、20千瓦全钒液流电池单元模块装配线；②质子传导膜生产线；③双极板电极生产线；④电解质溶液生产线；⑤液流电池系统测试与质量检测线。

投入正常生产(500MWH )年销售收入2.56亿美元，增值税、城建税及教育附加总体税负0.28亿美元，利润0.533亿美元，所得税0.133亿美元，税后利润0.4亿美元。

1.11攀钢钒电池研究进展
2002年至今攀钢钒电池取得了可喜的成果，形成了多项具有自主知识产权的专有技术，在电解液、电极改性处理、导电塑料集流体制备和电池结构等方面获得和正在申请的国家发明专利有12 项，实用新型专利2项。

先后研制组装了5kW 级钒电池样机(第一代样机)和2kW钒电池(第二代样机)备用电源演示系统。

自2009年以来，对电池的各个部件开展了研究，又开发了第2.5代样机和第三代样机，建立了太阳能—钒电池示范工程。

目前，攀钢钒电池电解液均采用攀钢生产的钒原料，制备的硫酸氧钒中钒浓度在0.1~3.0mol/L可调，电解液可规模制备，所制备出的电解液杂质含量低、成本低廉。

攀钢钒电池采用导电塑料集流体与国产石墨毡电极，大大降低电池成本。

钒电池电极材料经过特殊的活化处理，大幅度提高了电极电化学活性。

电池采用独特的结构确保电池堆的密封性能，并减小自放电。

大面积电极电池模块研制成功，提高了电池的功率密度、降低了成本，并提高了电池装配效率，大面积电极电池使得钒电池在大规模储能应用方面具备了独特优势。

国内的中国工程物理研究院电子工程研究所、东北大学、中国地质大学、浙江大学、中山大学、重庆大学等机构在电极及集流体材料的制备、高浓度电解液的稳定性等方面进行实验研究。

2展望
2.1钒电池研发的关键技术难题
2.1.1大面积复合双电极的制备
目前正在进行研制的复合电极是由导电塑料和石墨毡电极一体化复合而成。

虽然导电塑料作为集流体在耐腐蚀性能上优于石墨板，但就目前的研究结果看，导电塑料集流体导电性能和机械性能较差，规模化制备技术尚未掌握，制备大面积复合双电极时存在着复合工艺难等问题。

2.1.2石墨毡电极材料制备
进口石墨毡的导电性能较好，石墨化程度高，但价格昂贵；国产石墨毡虽然成本低,但石墨化程度低，导电性能较差。

进口和国产的石墨毡孔隙率较小，较为致密，其表面活性均不够理想，因此，制备石墨化程度高、质地疏松、成本较低的石墨毡电极是钒电池面临的难题之一。

2.1.3电池隔膜是制约钒电池发展的重要因素
钒电池离子交换膜需具有高选择透过性、高离子传导率、低电阻率，低水迁移率、低成本的离子交换膜。

目前所采用的国产膜电阻高于杜邦膜的电阻性能，自放电较大，离子选择透过性能较差，且价格依然较昂贵,特别是水迁移较大，随充、放电循环运行次数的增加，正、负极溶液浓度及体积发生变化,最终也将影响钒液流电池系统的能量效率和使用寿命。

因此，选择适合的隔膜材料，对其进行接枝、铰链或复合等改性处理，提高隔膜导电率和离子选择透过性，减少水迁移量,降低隔膜成本是钒电池开发的技术难点和重点。

2.1.4电解液方面的问题
稳定的高浓度电解液，较宽的温度适应性以及较低杂质浓度和成本是电解液亟待解决的问题。

2.1.5电池组装方面的问题
在实际应用中的液流蓄电系统电堆的输出功率一般在数十kW到数百MW范围。

钒电池系统的规模放大不是简单的尺寸上的增大，而是涉及到非稳态传质、传热及电化学等复杂的化工过程。

电解质溶液分配、充放电制度及电堆内部公用孔道结构对电池性能均有影响。

因此，电池组装设计研究也是钒电池研究的重要内容之一。

2.2钒电池及其与其它储能系统的比较
钒氧化还原液流电池是以钒离子溶液为正、负极活性物质的二次电池。

钒具有多种价态,V5+、V4+、V3+和V2+, 其化学行为活跃，在酸性介质中可形成相邻价态的电对其中V5+/V4+、和V3+/V2+两电对的电位差约1.25V。

钒电池正、负极室通过隔膜分开，电极由电极和集流板构成；正极电解液由V5+和V4+离子溶液组成，负极电解液由V3+和V2+离子溶液组成,其结构见下图。

电池充电后，正极物质为V5+离子溶液, 负极为V2+离子溶液；放电后,正、负极分别为V4+和V3+离子溶液，电池内部通过H+导电。

V5+和V4+离子在酸性溶液中分别以VO2+离子形式存在。

离子和VO+
2
据国际储能技术联合会(ESA)的研究报告，能够用于大规模固定储能的理想形式还是液流储能系统，其中钒电池前景最为看好。

2.3钒电池前景展望
钒电池可作为储能电源主要应用在电厂调峰以平衡负荷, 大规模光电转换、风能发电的储能电源、智能电网以及作为边缘地区储能系统，不间断电源或应急电源系统，市政交通和军事设施。

随着钒电池产业链的形成和完善，钒电池将进入一个快速发展时期，钒电池关键技术突破以及性价比的进一步提高将使钒电池产业化指日可待。

我国经济的高速持续发展，能源供应、能源安全及环境压力急增，能源的可持续发展已经引起我国政府和科学家们的高度重视，可再生能源中长期发展规划0对发展可再生能源做了明确的规划：今后二十年，我国可再生能源和替代能源等将进入蓬勃发展的时期;到2020年，全国风电总装机容量达到3000万千瓦，全国光伏发电的总容量为160万千瓦；2020年以后，可再生能源将会逐步发展成为主流能源之一。

新能源的发展和智能电网的建立为大规模蓄电储能技术发展提供了巨大的市场，钒电池市场前景十分看好，同时钒电池的推广也可充分利用我国的钒矿资源，带动钒产业和电池材料生产企业的发展,创造良好的经济效益。