钒电池是什么？优势有哪些？2020年以来钒电池主要项目一览

1 钒电池是什么?

钒电池，全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery，缩写为VRB)，它是一种利用钒离子在不同氧化态下的不同化学势能保存能量，使活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池，具有电池效率高、可深度放电、易于维护、环保实用、电解液可以循环使用等优点，被认为是一种最具实用化前景的大规模储能蓄电系统。

2 钒电池的提出历程

1974年，Thaller提出氧化还原液流电池(Redox Flow Cell)的概念：一种化学储能装置。1984年，美国Remik研制出多硫化钠、溴氧化还原液流电池(Sodium Polysulfide/ Bromine Battery，PSB)

20世纪90年代，不同等级功率的PSB电池被英国lnnogy公司开发出来，包括5kW、20kW、100kW，将这些电池模块串、并联组装成储能系统。

自美国航空航天局(NASA)发现钒离子溶液可用作氧化还原液流电池的电解液之后，钒电池的研发工作得以迅速发展。1984年，澳大利亚悉尼新南威尔士大学Sum E首次提出钒氧化还原液流电池的理念。

随后，该校的Skyllas.Kazacos等人研究发现，V⁵⁺能够在硫酸体系中稳定存在，提出将氧化还原电对V³⁺ /V²+和V⁵⁺/V⁴⁺应用于氧化还原液流电池中。

1986年，钒氧化还原液流电池体系获得专利。接着他们又对该体系的相关材料如隔膜、石墨毡、 导电聚合物电极等进行研究并获得了多项专利。经过一系列的研究之后Skyllas.Kazacos 等人研制出第一个静止型钒氧化还原单电池，后来，又采用石墨毡做电极，聚苯乙烯磺化阳离子交换膜为隔膜，2.0mol·L^-1V⁴⁺和2.0mol·L^-1H₂SO₄溶液作电解液制成流动型钒电池，在40mA.cm^-2电流密度下充放电，库仑效率90%，总能量效率为73%。Skyllas—Kazacos等人又进行了多次改进，抑制电池过度极化，提高电压效率。

1990年，Skyllas.Kazacos等人开发出1kW级的钒氧化还原电池组，能量效率高达90%， 因蠕动泵的能量损失为2～3%，使其总能量效率达到87～88%，此时放电电流最高为20A，这为钒电池的实用奠定了基础。

3 钒电池的分类

钒电池的构成部件主要有以下几个部分：电极、储液罐、隔膜、反应电堆、电解液、泵等。根据有无泵，钒电池分为静止型和流动型两大类。

(1)流动型钒电池

 在流动型钒电池中，由于泵的作用，可以把电解液从储液罐输送进电池堆里，待完成电池反应后又回到储液罐，使电解液内部的活性物质不断循环流动，因此，保证了电解液活性物质分布比较均匀，消除浓差极化。此外，流动型钒电池两个额外的电解液罐增加了电池容量。但是，电解液的流动需要泵进行带动，因此，该类型的电池自身消耗了一部分电能，约占电池总容量的2～3%。在实际应用中，流动型钒电池消除浓差极化的优点使其得到广泛的应用。

(2)静止型钒电池

和流动型钒电池相比，在静止型钒电池中，由于电解液的不流动，容易造成电解液发生浓差极化。虽然通入了保护性气体对电解液进行搅拌以减少甚至消除浓差极化，但效果不理想。因该类型电池不存在电解液的循环系统，不存在两个额外的储液罐，电池反应器的容量有限，故通常其容量小于流动型钒电池。

4 钒电池的特点

钒电池是一种新型的储能电池，与传统的蓄电池如铅酸电池、镍镉电池、钠硫电池、锌溴电池等相比，具有以下优点：

(1)可根据实际需求调节其容量，因而适用于大容量存储。钒电池有相对独立的额定功率、额定能量，电池堆决定功率大小，容量大小取决于电解液中活性物质的多寡。对于输出功率相同的钒电池，可根据实际需求任意调节其容量。

(2)电解液中储存的能量能够长期保存。因为钒电池的自放电低，且电池反应堆可与电解液分离，电解液中储存的能量可以长期保存，不会由于自放电而消耗。

(3)能量循环效率高。钒电池的充放电能量转换效率高，转换效率超过75%，远远超过铅酸电池的45%。电解液在充放电过程中不消耗能量，在重复充放电的同时不影响电池的容量，使用寿命长，充放循环寿命次数可超过10000次，远远比铅酸电池的1000次高。

(4)反应速度快，可在瞬间启动。在运行过程中充放电状态的切换时间仅需要0.02s，响应的速度为lm/s。

(5)可靠性高。在流动型钒电池中，具有流动性特点的电解液可消除浓差极化，保证各个单电池状态基本一致。

(6)可长期循环使用。钒电池的理论充放电时间比大概为1：1(实际为1.5～1.7：1)，支持大电流频繁充放电，而且充、放电状态下，正、负极活性物质为不同价态的钒离子，无相变化，故深度充放电对电池寿命影响不大，因此，电解液的理论使用寿命是无限的。

(7)可以避免电解液交叉污染。正负极电解液均为不同价态的钒离子溶液，无其他金属离子，可以避免交叉污染，提高电池的寿命和效率。

(8)操作方便，成本低。钒电池的活性物质为不同价态的钒离子，电池反应均在液相体系中进行，无相变化，故钒电池的电解液可重复使用，以节约成本。更换或增加电解液可延长钒电池寿命，而且更换电解液，能够实现瞬间再充电，和汽车加油比较相似，操作方便。

(9)装置简单，便于维护，而且维护工作量小。

(10)钒电池充、放电可同时进行，根据不同的需求对充、放电方式进行调整。可以同时有一种或多种电输入，也可以输出多种电压。

(11)安全性能高，不存在着火、爆炸等潜在危险，即使正、负极电解液混合，电解液的温度只是略有升高，不会产生危险。

(12)材料易得，存储量大。钒电池材料除隔膜外，材料价廉易得，无需贵金属充当电极催化剂，成本低。

(13)对环境友好。钒电池充、放电过程中没有CO₂等气体析出，不污染环境，是一种新型环保电池。

5 最新钒电池发展项目

2020年河北省石家庄市赵县开始建设储能电站项目

2020年1月福建省宁德市总投资150亿元全钒液流储能电池项目

2020年5月上海电气计划建设大型全钒液流电池储能电站示范项目

2020年8月河南淅川全钒液流储能电池装备制造项目

2020年10月1日上海电气液流储能电池项目正式投产

2021年3月1日北京普能世纪科技有限公司在湖北省襄阳市部署一个全钒液流电池集成电站项目

2021年7月新疆阿克苏全钒液流电池产业园项目

2021年8月1日河南省淅川县全钒液流储能电池装备制造项目

参考资料：朱莎. 全钒氧化还原液流电池电解液性能优化的研究。

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