一、釩電池發(fā)展?fàn)顩r
國外發(fā)展早在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(xué)的Marria Kacos提出，經(jīng)過十多年的研發(fā)，釩電池技術(shù)已經(jīng)趨近成熟。在日本，用于電站調(diào)峰和風(fēng)力儲能的固定型(相對于電動車用而言)釩電池發(fā)展迅速，大功率的釩電池儲能系統(tǒng)已投入實(shí)用，并全力推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。
從1995年中國工程物理研究院電子工程研究所首先在國內(nèi)開始釩電池的研制。先后研制成功了20W、100W、500W、1kW的釩電池樣機(jī)，在釩電池的關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。成功開發(fā)了四價釩溶液制備、導(dǎo)電塑料成型及批量生產(chǎn)、中型電池組裝配和調(diào)試等技術(shù)。擁有電解質(zhì)溶液制備、導(dǎo)電塑料成型等專利。1998年，500w的釩電池樣機(jī)用于電瓶車的驅(qū)動。現(xiàn)已研制出800W的產(chǎn)品樣機(jī)。
2006年3月中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)成功10 kW試驗(yàn)電堆，并通過國家科技部驗(yàn)收，標(biāo)志著我國的全釩液流電池系統(tǒng)取得階段性進(jìn)步。清華大學(xué)利用在膜分離功能材料制備、膜過程與設(shè)備設(shè)計等方面近二十年的研究經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，以及電解質(zhì)溶液熱力學(xué)、功能膜材料物理化學(xué)、化工過程傳質(zhì)學(xué)的豐富理論研究成果，在電堆流道設(shè)計、電堆密封結(jié)構(gòu)、鎖緊方式方面取得研究成果，已經(jīng)申報3項(xiàng)專利。并研發(fā)成功全釩液流電池測試平臺。
二、釩電池工作原理
釩電池(VRB)是一種可以流動的電池，目前正在逐步進(jìn)入商用化階段。VRB作為一種化學(xué)的能源存儲技術(shù)，和傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池相比，它在設(shè)計上有許多獨(dú)特之處，性能上也適用于多種工業(yè)場合，比如可以替代油機(jī)、備用電源等。利用VRB技術(shù)設(shè)計制造的VESS系統(tǒng)(VanadiumEnergy Storage System，即釩能源存儲系統(tǒng))，其設(shè)計和操作特性在VRB的基礎(chǔ)之上被優(yōu)化，而且集成了許多自動化的智能控制和用于管理操作的電子裝置。簡單地說，釩電池將存儲在電解波中的能量轉(zhuǎn)換為電能，這是通過兩個不同類型的、被一層隔膜隔開的釩離子之間交換電子來實(shí)現(xiàn)的。電解液是由硫酸和釩混合而成的，酸性和傳統(tǒng)的鉛酸電池一樣。由于這個電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，所以VRB電池既可以充電，也可以放電。充放電時隨著兩種釩離子濃度的變化，電能和化學(xué)能能相互轉(zhuǎn)換。 VRB電池由兩個電解液地和一層層的電池單元組成。電解液地用于盛兩種不同的電解液。每個電池單元由兩個“半單元”組成，中間夾著隔膜和用于收集電流的電極。兩個不同的“半單元”中盛放著不同離子形態(tài)的釩的電解液。每個電解液池配有一個泵，用于在封閉的管道中為每一個“半單元”輸送電解液。當(dāng)帶電的電解液在一層層的電池單元中流動時，電子就流動到外部電路，這就是放電過程。當(dāng)從外部將電子輸送到電池內(nèi)部時，相反的過程就發(fā)生了，這就是給電池單元中的電解液充電，然后再由泵輸送回電解液池。在 VRB中，電解液在多個電池單元間流動，電壓是各單元電壓串聯(lián)形成的。標(biāo)稱電壓是1.2V。電流密度由電池單元內(nèi)電流收集極的表面積決定，但是電流的供應(yīng)取決于電解液在電池單元間的流動，而不是電池層本身。VRB電池技術(shù)的一個最重要的特點(diǎn)是：峰值功率取決于電池層總的表面積，而電池的電量則取決于電解液的多少。在傳統(tǒng)的鉛酸和鎳福電池中，電極和電解液被放置到一塊，功率和能量強(qiáng)烈地依賴于極板面積和電解液的容量。但VRB電池不是這樣，它的電極和電解液不一定必須放到一塊，這就意味著能量的存放可以不受電池外殼的限制。從電力上來講，不同等級的能量可以為電池層中不同的電池單元或單元組中通過提供足夠的電解液來得到。給電池層充電和放電不一定需要相同的電壓。例如，VRB電池可以用串聯(lián)電池層的電壓放電，而充電則可以在電池層的另一部分用不同的電壓進(jìn)行。
VESS是把VRB集成起來的、一個實(shí)用的能源存儲系統(tǒng)。該系統(tǒng)中采用的專家控制技術(shù)，可以使操作管理、容量管理、日常維護(hù)、糾錯處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視和外部通信自動化。 VESS放棄了在傳統(tǒng)的備用能源中常用的如充電、放電、線電壓等概念，而以能量存儲和轉(zhuǎn)移的概念來代替。 VESS在通信中應(yīng)用的一個主要特征：VESS可以對現(xiàn)有的通信動力基礎(chǔ)設(shè)施做出更有利的使用，而且可以考慮在新的無污染的通信應(yīng)用中引入能源存儲的基礎(chǔ)設(shè)施。
三、釩電池主要優(yōu)點(diǎn)
和許多傳統(tǒng)的、二次電池技術(shù)相比，VRB在成本上很有競爭性，而且以前認(rèn)為采用鉛酸電池技術(shù)會很貴或不可能實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用，現(xiàn)在用VESS就可以很容易實(shí)現(xiàn)。因此對于現(xiàn)在的直流電源系統(tǒng)，VESS是一種很理想的替代品。 VESS電池的容量只需用油量表就可以知道，并且能量存儲的成本很低，所以它在通信應(yīng)用中的前景是很誘人的。另外，VESS的能量存儲輕便，并且存儲和使用相互獨(dú)立，所以可以用在通信應(yīng)用的特定場合。替代油機(jī)。通信動力系統(tǒng)中通常都使用柴油發(fā)電機(jī)，以便在停電時提供長時間的動力。當(dāng)油機(jī)啟動和預(yù)熱時，通常需要一個電池來提供短時間的動力。在通信站還經(jīng)常使用UPS來提供交流不間斷和直流不間斷電源，兩者都需要一個單獨(dú)的電池。一些小站口使用一個電池供應(yīng)不間斷的直流電源，不間斷交流電源則通過逆變需得到。備用系統(tǒng)的油機(jī)在動力系統(tǒng)的投資中占了很大一部分，而且需要持續(xù)不斷的機(jī)械維護(hù)以保證其可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，油機(jī)的利用率很低，因此其單位時間的使用成本是比較高的。而基于VESS的新系統(tǒng)則有潛力替代動力系統(tǒng)中的油機(jī)，為UPS和高可靠性的直流電源提供總的、多功能的能量存儲解決方案。替代太陽能電池。一些通信管理部門維護(hù)著巨大的、地理分布很廣的太陽能電池供電的通信網(wǎng)絡(luò)。太陽能供電系統(tǒng)的能量存儲零件通常是鉛酸電池，這需要的維護(hù)量很大。VESS有潛力替代太陽能電池，減少成本，提高生產(chǎn)率。
釩電池是目前發(fā)展勢頭強(qiáng)勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一(它的制造、使用及廢棄過程均不產(chǎn)生有害物質(zhì))，它具有特殊的電池結(jié)構(gòu)，可深度大電流密度放電；充電迅速；比能量高；價格低廉；應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊：如可作為大廈、機(jī)場、程控交換站備用電源；可作為太陽能等清潔發(fā)電系統(tǒng)的配套儲能裝置；為潛艇、遠(yuǎn)洋輪船提供電力以及用于電網(wǎng)調(diào)峰等。
釩電池成本與鉛酸電池相近，它還可制備兆瓦級電池組，大功率長時間提供電能，因此釩電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有鋰離子電池、鎳氫電池不可比擬的性價比優(yōu)勢。釩電池生產(chǎn)工藝簡單，價格經(jīng)濟(jì)，電性能優(yōu)異，與制造復(fù)雜、價格昂貴的燃料電池相比，無論是在大規(guī)模儲能還是電動汽車、動力電源的應(yīng)用前景方面，都更具競爭實(shí)力。
一些能源產(chǎn)生系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電、太陽能等，由于受到氣候變化、風(fēng)力大小等自然條件的影響，電能輸出具有不穩(wěn)定性和間斷性地特點(diǎn)，進(jìn)而造成機(jī)械功率大幅變化，會使發(fā)電機(jī)輸出的有功和無功產(chǎn)生波動，而且使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，同時造成電能浪費(fèi)。目前，國際上一項(xiàng)風(fēng)電存儲新技術(shù)――全釩氧化還原液流電池(Vanadium Redox Battery，VRB)進(jìn)入實(shí)用性階段，通過對能源高效轉(zhuǎn)換存儲，保證穩(wěn)定的電功率輸出，改善電網(wǎng)安全性和可靠性。
釩電池(Vanadium Redox Battery，簡稱VRB)是一種新型清潔能源存儲裝置，經(jīng)過美國、日本、澳大利亞等國家的應(yīng)用驗(yàn)證，與目前市場中的鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，具有大功率、長壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無污染等明顯技術(shù)優(yōu)勢，主要應(yīng)用于再生能源并網(wǎng)發(fā)電、城市電網(wǎng)儲能、遠(yuǎn)程供電、UPS系統(tǒng)、海島應(yīng)用等領(lǐng)域。
由于全釩液流電池正、負(fù)極活性物質(zhì)均為釩，只是價態(tài)不同，可以避免正、負(fù)極活性物質(zhì)通過離子交換膜擴(kuò)散造成的元素交叉污染，成本低、壽命長，已成為液流電池體系中主要的商用化發(fā)展方向之一。
㈠、VRB電池使用優(yōu)點(diǎn)：
1、能量循環(huán)效率高；
2、深度放電后壽命不會受影響；壽長，使用5年左右的時間后，只需更換部分零部件；
3、不會由于電解液的腐蝕而使化學(xué)特性受到影響；
4、電解液可以無限期使用(沒有處理的問題)；
5、循環(huán)壽是無限的(僅受隔膜的限制)；
6、能量的存儲量可以精確地測量出來；
7、在使用中對環(huán)境的影響很小。這些特性為在各種各樣的通信應(yīng)用中發(fā)展直流能源存儲系統(tǒng)提供了保障；
8、動控制功能提供了自動保護(hù)、自動整流和系統(tǒng)控制界面；
9、內(nèi)部控制單元可以控制其它的系統(tǒng)部件；
10、能量的存儲量可以在任何時間添加，成本只有鉛酸電池的20％，約為200 美元/kWh。
㈡、存儲優(yōu)點(diǎn)：
1、所有存儲起來的能量都在電解波中；
2、可以輸出的動力取決于電極(層)的尺寸；
3、系統(tǒng)能量的密度可以從物理上和系統(tǒng)存儲的能量隔離開來；
4、存儲起來的能量很穩(wěn)定。
㈢、系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)：
1、每一個單元都具有相同的帶電狀態(tài)；
2、系統(tǒng)可以同時充電和放電；
3、充電速度比鉛酸電池快；
4、運(yùn)行時可以有一種或多種電輸入，而且可以輸出多種電壓值；
5、有自動功能，可以自動整流和自動保護(hù)。
㈣從系統(tǒng)維護(hù)的觀點(diǎn)，這是因?yàn)椋?/div>
1、可以通過添加電解液來增加系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行的時間；
2、系統(tǒng)的能量存儲可以在任何時間增加，費(fèi)用只有鉛酸電池的20％；
3、壽長，5～10年后只需更換部分零部件；
4、維護(hù)量很少。
四、全釩液流電池示范應(yīng)用工程
1、愛爾蘭風(fēng)電場 2MW×6h 風(fēng)/儲發(fā)電并網(wǎng) 加拿大VRB power Systems Inc. 2006年8月
2、美國猶他州 250kW×8h 削風(fēng)填谷 2004年2月
3、澳洲金島風(fēng)場 200kW×8h 風(fēng)/儲/柴聯(lián)合 2003年11月
4、丹麥 15kW×8h 風(fēng)力/儲能發(fā)電 2006年6月
5、南非 250kW/520kWh 應(yīng)急備用 2002年
6、美國南卡羅來納州 30/60kW×2h 備用電源 2005年10月
7、美國佛羅里達(dá)州 2×5kW×4h 光伏/儲能發(fā)電 2007年7月
8、意大利 5kW×4h 電信備用電源 2006年4月
9、丹麥 5kW×4h 風(fēng)力/光伏發(fā)電 2006年4月
10、加拿大 10kWh 偏遠(yuǎn)地區(qū)供電 2006年3月
11、德國 10kWh 光/儲并網(wǎng) 2005年9月
12、泰國 1kW/12kWh 光伏/儲能應(yīng)用 V-Fuel Pty Ltd 1993年
13、日本 200kW/800kW 平穩(wěn)負(fù)載波動 住友 電工 1997年
14、關(guān)西電力 450kW/1MWh 電站調(diào)峰 1999年
15、日本 1.5kW/3MWh 電能質(zhì)量 2001年
16、日本北海道 170Kw/1MWh 風(fēng)/儲并用系統(tǒng) 2001年
分享到：
