全钒液流电池

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。•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MariaSkyllas-Kazacos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: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。•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。2.钒液流电池的特征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其工作温度为室温条件，系统安全稳定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。•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。•（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。•（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。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SelemionAMV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。•（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。•（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。•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。•电解法采取隔膜电解法以及通过电解V2O3和NH4VO3两种方法。•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VRBPowerSystem住友电工关西电力（株）清华大学大连化物所发明者中南大学5.1钒电池存在问题：•1）电池体积太大；2）电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•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。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液流储能系统的应用领域应急、替代电源液流储能装置钒液流电池应用领域全钒液流电池应用领域示意图电源调峰不间断电源应急电源系统边缘地区储能系统大规摸的光电转换系统风能发电系统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。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