全钒液流储能电池VRB

全钒液流储能电池VRB

全钒液流电池（vanadium redox batty,简称VRB）是一种新型清洁能源存储装置，其研究始于20世纪80年代的澳大利亚新南威尔士大学。在美国、日本、澳大利亚等国家有应用验证，鉴于钒电池具有功率大、寿命长、可靠性高、操作和维修费用少、支持频繁大电流充放电等明显技术优势。被认为是太阳能、风能发电装置配套储能设备、电动汽车供电、应急电源系统、电站储能调峰、再生能源并网发电、城市电网储能、远程供电、UPS系统等领域的优先选择。

一、工作原理

全钒液流电池是一种新型储能和高效转化装置，将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，通过外接泵把电解液泵入电池堆体内，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用离子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，使储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池可顺利完成充电、放电和再充电。钒电池的工作原理请见下图。

二、钒电池技术

钒电池技术中主要包括：电堆技术、电解液技术、系统集成技术

1).电堆技术

(1).膜

膜可以说是钒电池核心中的核心，它基本决定了钒电池的寿命、效率。

钒电池使用的膜，并不限制一定使用某种膜，关键是使用的膜一是耐腐蚀，

就是寿命；二是离子交换能力要足够好，就是电池效率；三是一致性要好。 (2).电极材料

目前钒电池的电极材料主要有石墨毡和碳毡两类。

石墨毡烧制温度高、石墨化程度高；碳毡烧制温度低一些、石墨化程度相对低。两者导电性能不同，价格不同。具体使用何种电极材料取决于钒电池电堆的设计。好的电极材料可提高钒电池的电流密度，而且对双极板的抗腐蚀有一定的保护作用。

这里的技术含量不算高，但各家需根据自己的钒电池堆的设计寻找和测试不同厂家的产品，需要一定的时间。

(3).双极板

双极板材料的要求很综合：耐腐蚀、面积、韧性、强度、导电性、价格。

钒电池常用的双极板是石墨板(包括硬石墨和软石墨两类)和导电塑料。虽然有很多人研究过金属复合双极板，但目前能用的还只有石墨板和导电塑料。

和电极材料一样，各家需根据自己的钒电池堆的设计寻找和测试不同厂家的产品，在对双极板的各种要求中取得一种平衡，需要一定的时间。特别是成本，双极板在目前的钒电池电堆的成本中占较大比重，是钒电池产业化必须重点解决的问题。

(4).电堆的流场设计

流场设计的好坏，对钒电池的性能有挺大影响，还可能对电堆寿命带来影响。

(5).密封技术

钒电池电堆密封技术比较重要的在于，要把几十片面积上千平方厘米甚至几千平方厘米的单片电池集成到一起，不发生任何泄漏。并且要保证在10年之内任何时间、任何场景下都不能漏。

2).电解液技术

在氧化还原流体电池里，能量是通过称为电解液的工作流体化学变化进行储存的，流体内所包含的可溶性物质可以通过电化学氧化或还原来储存能量。

电解液决定了钒电池的储电量，也是钒电池成本的重要组成部分。

电解液技术主要是配方，目标是提高功率密度、提高温度适应性等；二是如何用比较低的成本生产出合格的电解液来。

电解液配方的好坏会影响膜的寿命、电极的寿命、电池效率等。

电解液生产相关的技术关键在于原材料的来源，决定了电解液的生产成本；提纯目标和提纯工艺路线；环保问题等。

电解液的成本将会对钒电池的市场竞争力起到重要的影响作用。

3).控制技术

钒电池的控制系统对于钒电池长期稳定运行相当关键。包括：电解液的温度、流量，流量分配，充放电电压、电流等。相对于燃料电池的控制系统，钒电

池的控制系统要求相对比较简单。

4).系统集成技术

首先是钒电池系统各主要部件的选择和应用集成技术。包括泵的选择，管路、阀门、控制器等，要能够长期稳定支持钒电池系统运行；另一部分是如充电机、大功率系统的电流、电压控制器，与风力发电的集成控制，与太阳能发电的集成控制等。

鉴于钒电池的应用优势在于大功率系统，系统集成技术中就有很多属于工程技术。为便于运输，大型电堆的组装通常利用集装箱作为外壳，相应的空间布局设计，包括重量、体积、通道、管路、线束、各种接口等；现场安装工程，包括大型电解液储罐，与电堆及应用端的管路、线路连接，防雷、防雨、防水设计，远程监控等。

三、技术特点及优势

1）技术特点

(1) 能量存储于电解液中，增加电解液储罐的体积或者提高电解液的浓度均可增

加电池容量。即对于相同功率输出的钒电池，可根据需求任意调整容量。非常适合大容量储能应用；

(2) 输出功率由电池堆中参与反应的面积决定，可通过增加或减少单电池和不同

电池组串连和并联调整满足不同功率需求，目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6000kW；

(3) 充放电不涉及固相反应，电解液的理论使用寿命无限，可以长期使用。铅酸

蓄电池充电过程中，溶液中的铅离子转化为固态氧化铅沉积在电极表面，放电过程中固态氧化铅电极重新溶解进入液相，充放电过程伴随极板物质的液相/固相转化。为了保证固态氧化铅电极晶型的稳定性，电池充放电程度需要严格控制；电极结构的变化导致电化学性能逐渐劣化，原理上决定了有限的充放电循环和电池寿命；

(4) 反应速度快，可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，

响应速度1毫秒；

(5) 理论充放电时间比为1：1(实际运行1.5-1.7：1)，支持频繁大电流充放电，

深度充放电对电池寿命影响不大，充放电状态下电池正、负极活性物质均为液相，不会出现镍氢电池、锂离子电池等蓄电池因电极上枝状晶体的生长而将隔膜刺破导致电池短路的危险；

(6) 电池堆可与电解液相分离，存储于电解液中的能量可长期保存，不会因自放

电损耗；

(7) 能量循环效率高，充放电能量转换效率达75%以上，远高于铅酸电池的45%。

电解液在充放电过程中不消耗，重复充放电不影响电池容量；

(8) 能量的存储量可以精确地测量出来；