全钒液流电池及其三个组件学习资料
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Baidu Nhomakorabea
图4 奥地利10 KWh光伏离网储能钒电池充电站
图5 美国南卡罗来纳州空军基地 60KWh UPS
Thank You!!
全钒液流电池
一、引言
物理储 能
储
能
超导储
技
能
术
化学储 能
飞轮储 建造受地能域条件限制大,能量在储存和 释放过程扬中水损耗储严重,效率较低,并一次 性投入费能用高
压缩空气储能
超放导电时磁间铁短储、能技术昂贵
深度放电的循环寿命短,比能
铅量低酸，电在生产和回收过程中 池会带来很大的环境污染 需纳在硫高电温下运行,存在较大的 安池全隐患 价二格次昂电贵池和（髙锂温离稳定子性电差池, 适、用镍于氢小电型池便）携式电池 电制氧池；化容自还量放原不电液受程流电度电堆小大池；小寿的命限高
全钒液流电池具有能量效率高、寿 命长、无污染、安全性高等优势， 因此，它有着广泛的用途：可用于 电网调峰、平衡负荷，在用电低峰 期大规模的将发电厂的大量富余电 能储存，在用电高峰期进行供电； 与光伏发电和风力发电系统联用， 可以大规模的储存太阳能和风能， 实现清洁能源的利用及并网发电； 作为不间断电源(Uninterruptible power storage, UPS)用于医院、 大楼、军事基地、和社区等地的紧 急用电；与可再生能源、柴油发电 机等相互结合为海岛或偏远地区进 行独立供电。
V4+、 V5+
V2+、 V3+
图2 全钒液流电池的工作原理
正极 负极 总反应
表1 全钒液流电池的正负极反应
电极反应
标准电势差
Charge
VO2++H2O-e-
VO2++2H+
Discharge
Eθ=1.00V(vs.NHE)
Charge
V3++e-
V2+
Eθ=-0.26V(vs.NHE)
Discharge
；能量效率高
图1 各种储能技术的适用的储能容量和应用领域
氧化还原电池的概念最早在1971年由日本Ashimura 和Miyake提出。1973年,美国国家航空宇航局(NASA) 的Lewis研究中心开始对氧化还原液流电池进行研究。
1974年,Thaller提出了一个以Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)和 Cr(Ⅱ)/Cr(Ⅲ)为氧化还原电对的氧化还原液流电 池模型。此后,随着液流电池的发展,陆续出现了 Ti/Fe、Zn/Br、V/Br和Fe/Br等氧化还原液流电 池。其中Fe-Cr电池是研究的重点体系,研究结果 表明C：r(Ⅱ)/Cr(Ⅲ)的可逆性差,且 没有合适的隔膜解决Fe和Cr严重 相互污染的问题,难以实现商业化 。为此人们研究开发了单一金属 溶液为电解质的电池,如Cr系、 Co系、Ce系和V系。
但是结果表明以钒电解液为 活性物质的液流电池具有明显的 优势。
二、工作原理
钒是一种过渡元素,原子序数为23，位于元素周期 表中d区第四周期第V副族，价电子结构为3d34S2, 因而可以形成V(Ⅱ)、v(Ⅲ)、V(Ⅳ)和V(Ⅴ)四种价 态。钒液流电池正是利用V(Ⅱ)/V(Ⅲ)和 V(Ⅳ)/V(Ⅴ)两对氧化还原电对分别作为负极和正极 组成的二次充电电池。
其中负极溶液为V(Ⅱ) 和 V(Ⅲ)电解液，正极溶液为 V(Ⅳ)和V(Ⅴ) 电解液，并分开储存。电池结构主要由电极、隔膜、集流体和端板 组成。石墨毡由于比表面积大、耐酸腐蚀和导电性较好，一般用作 电极材料；隔膜为质子交换膜，主要将电池内部分成正极室和阴极 室及通过质子的交换实现电池内部的导电；集流体采用耐腐烛和导 电性较好的导电塑料板；端板采用聚氯乙烯板。电池充放电过程中 ，电解液通过泵的循环作用，流经石墨毡电极,并在其表面进行电 子交换反应，而后再流回储液罐。
Charge
VO2++H2O+V3+
VO2++2H++V2+
Discharge
三、电极材料
电极材料，是全钒液流电池的不可或缺的部分
，是活性物质发生电化学反应的场所，其本身
并不参与反应。由于电解液具有强酸性和强氧
化性，电极材料必须具备良好的电化学催化活
性和导电性以及优良的抗强氧化性、抗腐蚀性
和
机械强度。目前，电极材料主要
电解液。操作简单，反应速率快
方
，但反应不完全，导致容量密度
法
和能力密度有所下降。
电解法
在阴、阳极电解槽中分别加入V2O5与 H2SO4混合溶液和H2SO4溶液，然后通过 恒流装置通入直流电流，在电解槽中发生 还原、氧化反应。适合大规模生产。
图3 融科储能全钒液流电池系统 向辽宁电网送电成功
六、应用
全氟硫磺质子交换膜
含氟离子膜
偏氟乙烯接枝膜
全氟乙烯接枝膜
隔
聚芳醚类聚合物膜
膜
非氟离子膜
材 料
其他材料
多孔隔 膜
五、电解液的制备
物理溶解法
直接将高纯VOSO4固体溶于 H2SO4制备电解液。此法工艺复 杂，价格昂贵，难以大规模生产 。
制
利用还原剂和高价的钒氧化物或 钒酸盐发生氧化还原反应来制备
备
化学还原法
四、隔膜
隔膜在钒电池中的地位非常重要，一直制约着钒电 池的发展，它的功能是分离正负极电解液以防止电 池短路，同时允许电荷载体(H+，HSO4-等) 自由通 过保证正负两极电荷平衡而构成电池回路。
理想的电池隔膜应具有如下特点： （1）钒离子透过率低，交叉污染小，降低电池自 放电，提高能量效率。 （2）离子透过率高，膜电阻小，电压效率高。 （3）具有一定的机械强度，耐化学腐蚀、耐氧化 ，循环寿命较长，价格低。 （4）电池充放电时水透过量小，保持阳极、阴极 电解液的水平衡。
分为金属电极、碳素电极和复合
电极三种。
金属电 极
主要包括Au、Pt、 Pd、Ti、Pb等金 属，其优点是导电性好、抗腐蚀性强 、机械性强。缺点是易钝化、价格昂 贵、电化学可逆性差。
电
极
碳素电
主要包括石墨、玻碳、石墨毡等
材
极
料
复合电 极
是碳素材料与高分子基体相互混合 而制成，具有优良的电化学性能和 应用前景
图4 奥地利10 KWh光伏离网储能钒电池充电站
图5 美国南卡罗来纳州空军基地 60KWh UPS
Thank You!!
全钒液流电池
一、引言
物理储 能
储
能
超导储
技
能
术
化学储 能
飞轮储 建造受地能域条件限制大,能量在储存和 释放过程扬中水损耗储严重,效率较低,并一次 性投入费能用高
压缩空气储能
超放导电时磁间铁短储、能技术昂贵
深度放电的循环寿命短,比能
铅量低酸，电在生产和回收过程中 池会带来很大的环境污染 需纳在硫高电温下运行,存在较大的 安池全隐患 价二格次昂电贵池和（髙锂温离稳定子性电差池, 适、用镍于氢小电型池便）携式电池 电制氧池；化容自还量放原不电液受程流电度电堆小大池；小寿的命限高
全钒液流电池具有能量效率高、寿 命长、无污染、安全性高等优势， 因此，它有着广泛的用途：可用于 电网调峰、平衡负荷，在用电低峰 期大规模的将发电厂的大量富余电 能储存，在用电高峰期进行供电； 与光伏发电和风力发电系统联用， 可以大规模的储存太阳能和风能， 实现清洁能源的利用及并网发电； 作为不间断电源(Uninterruptible power storage, UPS)用于医院、 大楼、军事基地、和社区等地的紧 急用电；与可再生能源、柴油发电 机等相互结合为海岛或偏远地区进 行独立供电。
V4+、 V5+
V2+、 V3+
图2 全钒液流电池的工作原理
正极 负极 总反应
表1 全钒液流电池的正负极反应
电极反应
标准电势差
Charge
VO2++H2O-e-
VO2++2H+
Discharge
Eθ=1.00V(vs.NHE)
Charge
V3++e-
V2+
Eθ=-0.26V(vs.NHE)
Discharge
；能量效率高
图1 各种储能技术的适用的储能容量和应用领域
氧化还原电池的概念最早在1971年由日本Ashimura 和Miyake提出。1973年,美国国家航空宇航局(NASA) 的Lewis研究中心开始对氧化还原液流电池进行研究。
1974年,Thaller提出了一个以Fe(Ⅱ)/Fe(Ⅲ)和 Cr(Ⅱ)/Cr(Ⅲ)为氧化还原电对的氧化还原液流电 池模型。此后,随着液流电池的发展,陆续出现了 Ti/Fe、Zn/Br、V/Br和Fe/Br等氧化还原液流电 池。其中Fe-Cr电池是研究的重点体系,研究结果 表明C：r(Ⅱ)/Cr(Ⅲ)的可逆性差,且 没有合适的隔膜解决Fe和Cr严重 相互污染的问题,难以实现商业化 。为此人们研究开发了单一金属 溶液为电解质的电池,如Cr系、 Co系、Ce系和V系。
但是结果表明以钒电解液为 活性物质的液流电池具有明显的 优势。
二、工作原理
钒是一种过渡元素,原子序数为23，位于元素周期 表中d区第四周期第V副族，价电子结构为3d34S2, 因而可以形成V(Ⅱ)、v(Ⅲ)、V(Ⅳ)和V(Ⅴ)四种价 态。钒液流电池正是利用V(Ⅱ)/V(Ⅲ)和 V(Ⅳ)/V(Ⅴ)两对氧化还原电对分别作为负极和正极 组成的二次充电电池。
其中负极溶液为V(Ⅱ) 和 V(Ⅲ)电解液，正极溶液为 V(Ⅳ)和V(Ⅴ) 电解液，并分开储存。电池结构主要由电极、隔膜、集流体和端板 组成。石墨毡由于比表面积大、耐酸腐蚀和导电性较好，一般用作 电极材料；隔膜为质子交换膜，主要将电池内部分成正极室和阴极 室及通过质子的交换实现电池内部的导电；集流体采用耐腐烛和导 电性较好的导电塑料板；端板采用聚氯乙烯板。电池充放电过程中 ，电解液通过泵的循环作用，流经石墨毡电极,并在其表面进行电 子交换反应，而后再流回储液罐。
Charge
VO2++H2O+V3+
VO2++2H++V2+
Discharge
三、电极材料
电极材料，是全钒液流电池的不可或缺的部分
，是活性物质发生电化学反应的场所，其本身
并不参与反应。由于电解液具有强酸性和强氧
化性，电极材料必须具备良好的电化学催化活
性和导电性以及优良的抗强氧化性、抗腐蚀性
和
机械强度。目前，电极材料主要
电解液。操作简单，反应速率快
方
，但反应不完全，导致容量密度
法
和能力密度有所下降。
电解法
在阴、阳极电解槽中分别加入V2O5与 H2SO4混合溶液和H2SO4溶液，然后通过 恒流装置通入直流电流，在电解槽中发生 还原、氧化反应。适合大规模生产。
图3 融科储能全钒液流电池系统 向辽宁电网送电成功
六、应用
全氟硫磺质子交换膜
含氟离子膜
偏氟乙烯接枝膜
全氟乙烯接枝膜
隔
聚芳醚类聚合物膜
膜
非氟离子膜
材 料
其他材料
多孔隔 膜
五、电解液的制备
物理溶解法
直接将高纯VOSO4固体溶于 H2SO4制备电解液。此法工艺复 杂，价格昂贵，难以大规模生产 。
制
利用还原剂和高价的钒氧化物或 钒酸盐发生氧化还原反应来制备
备
化学还原法
四、隔膜
隔膜在钒电池中的地位非常重要，一直制约着钒电 池的发展，它的功能是分离正负极电解液以防止电 池短路，同时允许电荷载体(H+，HSO4-等) 自由通 过保证正负两极电荷平衡而构成电池回路。
理想的电池隔膜应具有如下特点： （1）钒离子透过率低，交叉污染小，降低电池自 放电，提高能量效率。 （2）离子透过率高，膜电阻小，电压效率高。 （3）具有一定的机械强度，耐化学腐蚀、耐氧化 ，循环寿命较长，价格低。 （4）电池充放电时水透过量小，保持阳极、阴极 电解液的水平衡。
分为金属电极、碳素电极和复合
电极三种。
金属电 极
主要包括Au、Pt、 Pd、Ti、Pb等金 属，其优点是导电性好、抗腐蚀性强 、机械性强。缺点是易钝化、价格昂 贵、电化学可逆性差。
电
极
碳素电
主要包括石墨、玻碳、石墨毡等
材
极
料
复合电 极
是碳素材料与高分子基体相互混合 而制成，具有优良的电化学性能和 应用前景