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1、全钒液流电池全钒液流电池 1.钒电池的工作原理钒电池的工作原理2.钒电池的特点钒电池的特点3.钒电池的组成钒电池的组成4.钒电池的材料钒电池的材料5.钒电池的应用领域钒电池的应用领域 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 Maria Skyllas-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
2、究 1.钒液流电池的原理钒液流电池的原理具有不同价态的钒离子溶液分别作为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，实现对电池的充生氧化和还原反应，实现对电池的充放电放电 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：电池的功率和容
3、量可以分开设计，增加容量方便；自放电率低，长时间储存，钒电池的储能系统达到兆瓦级；过放电能力强；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；温度对钒电池的影响相对小；循环寿命长；电解液循环使用，减少环境污染；成本低和维护简单等。2.钒液流电池的特征钒液流电池的特征 充充/ /放电可通过放电可通过 简单增加电解液简单增加电解液体积体积体积体积来实现来实现钒液流电池具有的特征钒液流电池具有的特征 电池的反应不存在固相电池的反应不存在固相反应，容易保证电堆的反应，容易保证电堆的一致性和均匀性一致性和均匀性电池的电解液均置于相同的储液罐中，电池的电解液均置于相同的储液罐中
4、，两个电池的放电状态是相同的两个电池的放电状态是相同的 其工作温度其工作温度为室温条件，为室温条件，系统安全稳系统安全稳定定3. 钒液流电池的组成钒液流电池的组成 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
5、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。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。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
6、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。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
7、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。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Selemion AMV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
8、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（）溶液，负极物质为V（）/V（）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
9、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35mol/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（）还原为V（）或V（）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NH4 VO3两种方法。钒电池电解液通常硫酸浓度为1.55molL-1，钒离子的浓度从12.5molL-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
10、过程5.全钒液流电池研发全钒液流电池研发VRB Power System住友电工住友电工关西电力关西电力（株）（株）清华大学清华大学大连化物所大连化物所发明者发明者中南大学中南大学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；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；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换
11、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。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。性价比优势。钒电池生产工艺简单，价格经济，电性能优异，与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，在大规模储制造复杂、价格昂贵的燃料电
12、池相比，在大规模储能的应用前景方面，更具竞争实力。能的应用前景方面，更具竞争实力。液流储能系统的应用领域液流储能系统的应用领域风能风能风能风能 太阳能太阳能太阳能太阳能稳定供电稳定供电稳定供电稳定供电火电火电火电火电 核电核电核电核电电网调峰电网调峰电网调峰电网调峰 应急、替代电源应急、替代电源应急、替代电源应急、替代电源 液流储能装置液流储能装置 钒液流电池应用领域钒液流电池应用领域全钒液流电池应用领域示意图全钒液流电池应用领域示意图电源调峰电源调峰电源调峰电源调峰不间断电源不间断电源应急电源系统应急电源系统边缘地区储能系统边缘地区储能系统边缘地区储能系统边缘地区储能系统 大规摸的光电大规摸
13、的光电转换系统转换系统风能发电系统风能发电系统 钒液流电池应用领域钒液流电池应用领域钒液流电池的应用对我们国家钒液流电池的应用对我们国家钒液流电池的应用对我们国家钒液流电池的应用对我们国家边缘地区边缘地区边缘地区边缘地区的电力扶贫以的电力扶贫以的电力扶贫以的电力扶贫以及基本建设有着举足轻重的意义：及基本建设有着举足轻重的意义：及基本建设有着举足轻重的意义：及基本建设有着举足轻重的意义：位于位于内蒙古、新疆、内蒙古、新疆、西藏、青海、甘肃西藏、青海、甘肃等等中西部地区的散居农中西部地区的散居农牧民由于远离电网和牧民由于远离电网和居住分散，难以通过居住分散，难以通过延伸电网供电。延伸电网供电。 浙江、山东、浙江、山东、福建、江苏、福建、江苏、广东、海南广东、海南等等省的沿海岛屿省的沿海岛屿 据粗略统计，这些地区共有约据粗略统计，这些地区共有约据粗略统计，这些地区共有约据粗略统计，这些地区共有约一亿人口一亿人口一亿人口一亿人口尚未解决可靠供电问题尚未解决可靠供电问题尚未解决可靠供电问题尚未解决可靠供电问题
