全釩液流電池

釩電池，全稱是全釩液流電池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB），是一種活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池。早在60年代，就有鐵—鉻體系的氧化還原電池問世，但是釩系的氧化還原電池是在1985年由澳大利亞新南威爾士大學的Marria Kacos提出，經過二十多年的研發，釩電池技術已經趨近成熟。在日本，用於電站調峯和風力儲能的固定型（相對於電動車用而言）釩電池發展迅速，大功率的釩電池儲能系統已投入實用，並全力推進其商業化進程。

釩電池電能以化學能的方式存儲在不同價態釩離子的硫酸電解液中，通過外接泵把電解液壓入電池堆體內，在機械動力作用下，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合迴路中循環流動，採用質子交換膜作為電池組的隔膜，電解質溶液平行流過電極表面併發生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流，從而使得儲存在溶液中的化學能轉換成電能。這個可逆的反應過程使釩電池順利完成充電、放電和再充電。正極電解液由V(Ⅴ)和V(Ⅳ)離子溶液組成，負極電解液由V(Ⅲ)和V(Ⅱ)離子溶液組成，電池充電後，正極物質為V(Ⅴ)離子溶液，負極為V(Ⅱ)離子溶液，電池放電後，正、負極分別為V(Ⅳ)和V(Ⅲ)離子溶液，電池內部通過H+導電。V(Ⅴ)和V(Ⅳ)離子在酸性溶液中分別以VO₂⁺離子和VO²⁺離子形式存在，故釩電池的正負極反應可表述如下：

充電時正極：VO²⁺+H₂O→VO₂⁺+2H⁺+e^-

充電時負極：V³⁺+ e^-→V²⁺

放電時正極：VO₂⁺+2H⁺+e^-→VO²⁺+H₂O

放電時負極：V²⁺→V³⁺+ e^-

1、釩電池電解液全釩最初，電解液是將VOSO4直接溶解於H2SO4中製得，但由於VOSO4價格較高，人們開始把目光轉向其它釩化合物如V2O5、NH4VO3等。製備電解液的方法主要有兩種：混合加熱製備法和電解法。其中混合加熱法適合於製取lmol/L電解液，電解法可製取3~5mol/L的電解液。

2、釩電池隔膜

釩電池的隔膜必須抑制正負極電解液中不同價態的釩離子的交叉混合，而不阻礙氫離子通過隔膜，傳遞電荷。這就要求選用具有良好導電性和較好選擇透過性的離子交換膜，最好選用允許氫離子通過的陽離子交換膜。電池隔膜一般都以陽離子交換膜為主，也有用Nafion膜(Dupont)的，但後者價格較貴。對陽離子交換膜進行處理，提高親水性、選擇透過性和增長使用壽命，是提高釩電池效率的途徑之一。全氟磺酸型離子交換膜是由杜邦公司率先研製成功，並以Nafion為其商標，是性能最好的一種離子交換膜。

3、釩電池電極材料

全釩液流電池要達到大容量的儲能，必須實現若干個單電池的串聯或者並聯，這樣除了端電極外，基本所有的電極都要求製成雙極化電極。由於V02+的強氧化性及硫酸的強酸性，作為釩電池的電極材料必須具備耐強氧化和強酸性，電阻低，導電性能好，機械強度高，電化學活性好等特點。釩電池電極材料主要分為三類：金屬類，如Pb，Ti等；炭素類，如石墨、碳布、碳氈等；複合材料類，如導電聚合物、高分子複合材料等 ^[1]  。

釩電池作為儲能系統使用，具有以下特點：

1、電池的輸出功率取決於電池堆的大小，儲能容量取決於電解液儲量和濃度，因此它的設計非常靈活，當輸出功率一定時，要增加儲能容量，只要增大電解液儲存罐的容積或提高電解質濃度；

2、釩電池的活性物質存在於液體中，電解質離子只有釩離子一種，故充放電時無其它電池常有的物相變化，電池使用壽命長；

3、充、放電性能好，可深度放電而不損壞電池；

4、自放電低，在系統處於關閉模式時，儲罐中的電解液無自放電現象；

5、釩電池選址自由度大，系統可全自動封閉運行，無污染，維護簡單，操作成本低；

6、電池系統無潛在的爆炸或着火危險，安全性高；

7、電池部件多為廉價的碳材料、工程塑料，材料來源豐富，易回收，不需要貴金屬作電極催化劑；

8、能量效率高，可達75%~80%，性價比非常高；

9、啓動速度快，如果電堆裏充滿電解液可在2min內啓動，在運行過程中充放電狀態切換隻需要0.02s。

1、能量密度低，先進的產品能量密度大概只有40Wh/kg。鉛酸電池大概有35Wh/kg。

2、因為能量密度低，又是液流電池，所以佔地面積大。

3、國際先進水平的工作温度範圍為 5° 和 45°C，過高或過低都需要調節 ^[1]  。

釩流電池因其獨特優點，使其在許多領域有着廣泛的應用：

1、風力發電市場

風力發電機需要配備功率大約相當於其功率1%的鉛酸電池用於緊急情況時風機保護風葉用，另外每一台風機還需要配備功率大約相當於其功率10%~50%的動態儲能電池。對於風機離網發電，則需要更大比例的動態儲能電池，擁有眾多傑出優點的釩電池完全可以取代現有的鉛酸電池，進而構建風電場的動態能源儲存系統。

2、光伏發電

顧名思義，光伏發電需要太陽光，一旦到了晚上和陰雨天就發不了電，因而需要儲能電池為其儲存電力，由於現有的鉛酸電池功率、容量和壽命均非常有限，相信集眾多傑出優點於一身的釩電池將作為光伏發電儲能電池的首選。

3、電網調峯

電網調峯的主要手段一直是抽水蓄能電站，由於抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區不容易建設，而且佔地面積大，維護成本高。釩電池儲能電站不受地理條件限制，選址自由，佔地少，維護成本低。可以預期，隨着釩電池技術的發展，釩電池儲能電站將逐步取代抽水蓄能電站，在電網調峯中發揮重要的作用。

4、電動汽車電源

釩電池由於自身的獨特結構，充電接受能力強，適應快速大電流充電及大電流深度放電，比功率大，比能量高，適合於作電動汽車的動力電源，也可以解決汽車尾氣排放而造成的空氣污染問題。釩電池作為汽車驅動力的優點是能夠實現“瞬間充電”(直接更換或補充電解液)。

5、不間斷電源和應急電源

作為UPS可用於辦公大樓、劇院、醫院等應急照明場所，也可用作計算機以及一些軍事設備的備用電源。

6、供電系統

海島、偏遠地區等地區建設常規電站或建設架設輸電線路造價高昂，使用釩電池並配以太陽能、風能等發電裝置，可保障這些地區的穩定電力供應。另外釩電池還可以作為郵電通訊、鐵路發送信號、無線電傳播站等供電系統。

7、軍用蓄電

1、電池管理系統應具有對電池堆或者電解液循環系統的數據採集、信息傳遞和安全管理的功能。 

2、電池管理系統應能檢測電池堆與熱、電和流體相關的數據，相關數據至少包括電池堆的電壓、電池堆迴路電流和管路內温度、壓力、流量及儲液罐內的液位等參數。 

3、電池管理系統應能對電池系統的荷電狀態(SOC)進行實時估算。 

4、電池管理系統應能對電池系統進行故障診斷，並可以根據具體故障內容啓動相應的故障機制，比如故障代碼上報、實時警示和故障保護等。 

5、電池管理系統應有與儲能電站及其相關設備基於通訊的信息交互功能。 

6、電池管理系統應能通過與儲能電站內能量轉化系統的實時通訊或者其他信號交互方式實現對充放電過程的控制和管理。 ^[1]