簡(jiǎn)介
釩電池,全稱是全釩液流電池(Vanadium Redox Flow Battery,VRB),是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)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(wèn)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(guò)二十多年的研發(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(chǔ)能的固定型(相對(duì)于電動(dòng)車用而言)釩電池發(fā)展迅速,大功率的釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已投入使用,并全力推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。
這個(gè)可逆的反應(yīng)過(guò)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(fù)極電解液由V(Ⅲ)和V(Ⅱ)離子溶液組成,電池充電后,正極物質(zhì)為V(Ⅴ)離子溶液,負(fù)極為V(Ⅱ)離子溶液,電池放電后,正、負(fù)極分別為V(Ⅳ)和V(Ⅲ)離子溶液,電池內(nèi)部通過(guò)H+導(dǎo)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(fù)極反應(yīng)可表述如下:
充電時(shí)正極:VO+H2O→VO2+2H+e
充電時(shí)負(fù)極:V+e→V
放電時(shí)正極:VO2+2H+e→VO+H2O
放電時(shí)負(fù)極:V→V+e
關(guān)鍵材料
1、釩電池電解液全釩最初,電解液是將VOSO4直接溶解于H2SO4中制得,但由于VOSO4價(jià)格較高,人們開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向其它釩化合物如V2O5、NH4VO3等。制備電解液的方法主要有兩種:混合加熱制備法和電解法。其中混合加熱法適合于制取lmol/L電解液,電解法可制取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(fù)極電解液中不同價(jià)態(tài)的釩離子的交叉混合,而不阻礙氫離子通過(guò)隔膜,傳遞電荷。這就要求選用具有良好導(dǎo)電性和較好選擇透過(guò)性的離子交換膜,最好選用允許氫離子通過(guò)的陽(yáng)離子交換膜。電池隔膜一般都以陽(yáng)離子交換膜為主,也有用Nafion膜(Dupont)的,但后者價(jià)格較貴。對(duì)陽(yáng)離子交換膜進(jìn)行處理,提高親水性、選擇透過(guò)性和增長(zhǎng)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制成功,并以Nafion為其商標(biāo),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(dá)到大容量的儲(chǔ)能,必須實(shí)現(xiàn)若干個(gè)單電池的串聯(lián)或者并聯(lián),這樣除了端電極外,基本所有的電極都要求制成雙極化電極。由于V02+的強(qiáng)氧化性及硫酸的強(qiáng)酸性,作為釩電池的電極材料必須具備耐強(qiáng)氧化和強(qiáng)酸性,電阻低,導(dǎo)電性能好,機(jī)械強(qiáng)度高,電化學(xué)活性好等特點(diǎn)。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?xì)值?;?fù)合材料類,如導(dǎo)電聚合物、高分子復(fù)合材料等。
特點(diǎn)
釩電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)使用,具有以下特點(diǎn):
1、電池的輸出功率取決于電池堆的大小,儲(chǔ)能容量取決于電解液儲(chǔ)量和濃度,因此它的設(shè)計(jì)非常靈活,當(dāng)輸出功率一定時(shí),要增加儲(chǔ)能容量,只要增大電解液儲(chǔ)存罐的容積或提高電解質(zhì)濃度;
2、釩電池的活性物質(zhì)存在于液體中,電解質(zhì)離子只有釩離子一種,故充放電時(shí)無(wú)其它電池常有的物相變化,電池使用壽命長(zhǎng);
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(tǒng)處于關(guān)閉模式時(shí),儲(chǔ)罐中的電解液無(wú)自放電現(xiàn)象;
5、釩電池選址自由度大,系統(tǒng)可全自動(dòng)封閉運(yùn)行,無(wú)污染,維護(hù)簡(jiǎn)單,操作成本低;
6、電池系統(tǒng)無(wú)潛在的爆炸或著火危險(xiǎn),安全性高;
7、電池部件多為廉價(jià)的碳材料、工程塑料,材料來(lái)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(dá)75%~80%,性價(jià)比非常高;
9、啟動(dòng)速度快,如果電堆里充滿電解液可在2min內(nèi)啟動(dòng),在運(yùn)行過(guò)程中充放電狀態(tài)切換只需要0.02s。
劣勢(shì)
1、能量密度低,先進(jìn)的產(chǎn)品能量密度大概只有40Wh/kg。鉛酸電池大概有35Wh/kg。
2、因?yàn)槟芰棵芏鹊?,又是液流電池,所以占地面積大。
3、國(guó)際先進(jìn)水平的工作溫度范圍為5°C和45°C,過(guò)高或過(guò)低都需要調(diào)節(jié)。
市場(chǎng)前景
釩流電池因其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),使其在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用:
1、風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要配備功率大約相當(dāng)于其功率1%的鉛酸電池用于緊急情況時(shí)風(fēng)機(jī)保護(hù)風(fēng)葉用,另外每一臺(tái)風(fēng)機(jī)還需要配備功率大約相當(dāng)于其功率10%~50%的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池。對(duì)于風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電,則需要更大比例的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池,擁有眾多杰出優(yōu)點(diǎn)的釩電池完全可以取代現(xiàn)有的鉛酸電池,進(jìn)而構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。
2、光伏發(fā)電
顧名思義,光伏發(fā)電需要太陽(yáng)光,一旦到了晚上和陰雨天就發(fā)不了電,因而需要儲(chǔ)能電池為其儲(chǔ)存電力,由于現(xiàn)有的鉛酸電池功率、容量和壽命均非常有限,相信集眾多杰出優(yōu)點(diǎn)于一身的釩電池將作為光伏發(fā)電儲(chǔ)能電池的首選。
3、電網(wǎng)調(diào)峰
電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站,由于抽水蓄能電站需建上、下兩個(gè)水庫(kù),受地理?xiàng)l件限制較大,在平原地區(qū)不容易建設(shè),而且占地面積大,維護(hù)成本高。釩電池儲(chǔ)能電站不受地理?xiàng)l件限制,選址自由,占地少,維護(hù)成本低。可以預(yù)期,隨著釩電池技術(shù)的發(fā)展,釩電池儲(chǔ)能電站將逐步取代抽水蓄能電站,在電網(wǎng)調(diào)峰中發(fā)揮重要的作用。
4、電動(dòng)汽車電源
釩電池由于自身的獨(dú)特結(jié)構(gòu),充電接受能力強(qiáng),適應(yīng)快速大電流充電及大電流深度放電,比功率大,比能量高,適合于作電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源,也可以解決汽車尾氣排放而造成的空氣污染問(wèn)題。釩電池作為汽車驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)“瞬間充電”(直接更換或補(bǔ)充電解液)。
5、不間斷電源和應(yīng)急電源
作為UPS可用于辦公大樓、劇院、醫(yī)院等應(yīng)急照明場(chǎng)所,也可用作計(jì)算機(jī)以及一些軍事設(shè)備的備用電源。
6、供電系統(tǒng)
海島、偏遠(yuǎn)地區(qū)等地區(qū)建設(shè)常規(guī)電站或建設(shè)架設(shè)輸電線路造價(jià)高昂,使用釩電池并配以太陽(yáng)能、風(fēng)能等發(fā)電裝置,可保障這些地區(qū)的穩(wěn)定電力供應(yīng)。另外釩電池還可以作為郵電通訊、鐵路發(fā)送信號(hào)、無(wú)線電傳播站等供電系統(tǒng)。
7、軍用蓄電
要求
1、電池管理系統(tǒng)應(yīng)具有對(duì)電池堆或者電解液循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、信息傳遞和安全管理的功能。?
2、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能檢測(cè)電池堆與熱、電和流體相關(guān)的數(shù)據(jù),相關(guān)數(shù)據(jù)至少包括電池堆的電壓、電池堆回路電流和管路內(nèi)溫度、壓力、流量及儲(chǔ)液罐內(nèi)的液位等參數(shù)。?
3、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)(SOC)進(jìn)行實(shí)時(shí)估算。?
4、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷,并可以根據(jù)具體故障內(nèi)容啟動(dòng)相應(yīng)的故障機(jī)制,比如故障代碼上報(bào)、實(shí)時(shí)警示和故障保護(hù)等。?
5、電池管理系統(tǒng)應(yīng)有與儲(chǔ)能電站及其相關(guān)設(shè)備基于通訊的信息交互功能。?
6、電池管理系統(tǒng)應(yīng)能通過(guò)與儲(chǔ)能電站內(nèi)能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊或者其他信號(hào)交互方式實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電過(guò)程的控制和管理。