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全钒氧化还原液流储能电池

摘要：对太阳能、风能等非连续能源的利用和储存是当前储能领域研究开发的重点，全钒氧化还原液流电池是一种具有开发潜力的储能方式。本文介绍了钒氧化还原液流电池的原理和特点，简介了电池的关键材料和全钒液流电池的国内外研究现状，应用前景。

前言

电能是信息社会最重要的、必不可缺的二次能源，是经济可持续发展的保障。风能、太阳能和潮汐能等可再生能源被认为是未来电能的有效来源，在世界范围内正日益得到关注。为保证可再生能源发电系统的稳定供电，应以蓄电储能的方式加以调节。全钒电池作为其中一种储能电池，也得到广泛的关注。

全钒氧化还原液流电池(VRB，也常简称为钒电池)于1985年由澳大利亚新南威尔士大学的MarriaKazacos提出。作为一种电化学系统，钒电池把能量储存在含有不同价态钒离子氧化还原电对的电解液中。具有不同氧化还原电对的电解液分别构成电池的正、负极电解液，正、负极电解液中间由离子交换膜隔开。通过外接泵把溶液从储液槽压入电池堆体内完成电化学反应，反应后溶液又回到储液槽，活性物质不断循环流动，由此完成充放电。

在机械动力作用下，电解液在储液罐和半电池的闭合回路中进行循环流动，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。和其他二次电池相比，钒电池具有显著的特性：充放电次数可达10000次(20年)以上；通过更换荷电的电解液，可实现“瞬间再充电”；功率与容量分开，高达兆瓦级输出功率；绿色环保无污染，电池可完全回收；放电深度高达80%以上；支持过冲过放而不损坏电池；电池不需要维护，寿命很长。

由于钒电池突出的优点，在国外现已得到很好的发展，已开始商业应用。

但是目前，在国内钒电池还没有开始商业化应用，针对目标应用的技术要求，还需要进行关键技术攻关，才能推进产业化应用。本文将对全钒氧化还原液流电池的电极材料、在电极反应行为、隔膜的特性及电解液中钒的存在形式的国内研究进展进行了介绍。

全钒氧化还原液流电池介绍

工作原理

VRB以溶解于一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子为正负极电极反应活性物质.电池正负极之间以离子交换膜分隔成彼此相互独立的两室.通常情况下VRB正极活性电对为VO2+/VO2+，负极为V2+/V3+。

电极上所发生的反应如下：

正极：VO2++H2O-e充电放电→VO2++2H+ (1)

负极：V3++e充电放电→V2+ (2)

电池总反应：VO2++H2O+V3+充电放电→VO2++V2++2H+ (3)

特点

钒氧化还原液流电池是一种优秀的储能系统，它有如下的优点：

额定功率和额定能量是独立的，功率大小取决于电池堆，能量的大小取决于电解液。可随意增加电解液的量，达到增加电池容量的目的。

在充放电期间，钒氧化还原蓄电池只是液相反应，不象普通电池那样有复杂的可引起电池电流中断或短路的固相变化。

电池的保存期无限，储存寿命长。因为电解液是循环使用的，不存在变质问题，只是长期使用后，电池隔膜电阻有所增大。

能深放电但不会损坏电池，可100%放电。

电池结构简单，材料价格便宜，更换和维修费用低。(6)通过更换电解液，就可实现“瞬间再充电”。

基于这些优点，钒电池有很广泛的用途：可作为UPS用于剧院、医院等需要紧急照明的地方；可用于通讯、铁路发送信号、无线电转播站等；可用于电动汽车、潜艇等；可作为边远地区的储能、发电系统；可进行电调峰。钒电池可实现“瞬间再充电”，对于电动汽车的开发很大的意义，电动汽车可以在加油站直接更换电解质，达“再充电”。

关键材料

电解质溶液

全钒液流电池中的溶液既是电极活性物质又是电解液，如果浓度太高，则活性物质体积比能量高，但是势必增大电解液的电阻、黏度等；同时由于五价钒离子溶解度不高，高浓度的正极溶液在接近全充电态时，会析出红色多钒酸盐沉淀，从而堵塞多孔电极表面，导致电池无法使用。为了增大钒溶液的稳定性，考虑在溶液中加入添加剂，如一些络合剂、EDTA、吡啶等，还有如明胶等稳定剂。因此，适当提高溶液浓度和适量加入添加剂，是钒电池溶液的重要研究方向。研究表明，在钒硫酸溶液中分别添加2%甘油和2%硫酸钠，可提高溶液中钒离子的溶解度和稳定性。利用循环伏安法测量含添加剂的钒硫酸溶液，得出溶液中少量的甘油和硫酸钠不会对钒氧化还原反应的可逆性产生不利的影响;用含甘油的钒硫酸溶液作为电解液组装全钒电池，测试了电池的充放电性能，表明含2%甘油的钒硫酸溶液单位体积的电容量较大。

离子交换膜

隔膜起着隔离正负极电解质溶液、阻止不同价态钒离子相互渗透的作用，通过氢离子在膜中自由迁移传递电荷。电池要求选用钒离子透过率低、交叉污染小、H+离子透过率高、膜电阻小的离子交换膜。

离子交换膜是液流电池的重要组成部分，要求具备高离子选择性、高离子传导率及良好的化学稳定性。