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全釩液流電池

全釩液流電池是一種是一種以釩為活性物質(zhì)呈循環(huán)流動液態(tài)的氧化還原電池。

  釩電池,全稱是全釩液流電池(VanadiumRedoxFlowBattery,VRB),是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動液態(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MarriaKacos提出,經(jīng)過二十多年的研發(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。

  釩電池電能以化學(xué)能的方式存儲在不同價態(tài)釩離子的硫酸電解液中,通過外接泵把電解液壓入電池堆體內(nèi),在機(jī)械動力作用下,使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動,采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜,電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流,從而使得儲存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。這個可逆的反應(yīng)過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:

  釩電池關(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價格較高,人們開始把目光轉(zhuǎn)向其它釩化合物如V2O5、NH4VO3等。目前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)極電解液中不同價態(tài)的釩離子的交叉混合,而不阻礙氫離子通過隔膜,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性的離子交換膜,最好選用允許氫離子通過的陽離子交換膜。電池隔膜一般都以陽離子交換膜為主,也有用Nafion膜(Dupont)的,但后者價格較貴。對陽離子交換膜進(jìn)行處理,提高親水性、選擇透過性和增長使用壽命,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),是目前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)到大容量的儲能,必須實(shí)現(xiàn)若干個單電池的串聯(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)值龋粡?fù)合材料類,如導(dǎo)電聚合物、高分子復(fù)合材料等。

  釩電池的特點(diǎn)

  釩電池作為儲能系統(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,儲能容量取決于電解液儲量和濃度,因此它的設(shè)計非常靈活,當(dāng)輸出功率一定時,要增加儲能容量,只要增大電解液儲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,故充放電時無其它電池常有的物相變化,電池使用壽命長;

  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,儲罐中的電解液無自放電現(xiàn)象;

  5.釩電池選址自由度大,系統(tǒng)可全自動封閉運(yùn)行,無污染,維護(hù)簡單,操作成本低;

  6.電池系統(tǒng)無潛在的爆炸或著火危險,安全性高;

  7.電池部件多為廉價的碳材料、工程塑料,材料來源豐富,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%,性價比非常高;

  9.啟動速度快,如果電堆里充滿電解液可在2min內(nèi)啟動,在運(yùn)行過程中充放電狀態(tài)切換只需要0.02s。

  目前全釩液流電池的劣勢

  1.能量密度低,目前先進(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)槟芰棵芏鹊停质且毫麟姵?,所以占地面積大。

  3.目前國際先進(jìn)水平的工作溫度范圍為5°和45°C,過高或過低都需要調(diào)節(jié)。

  釩電池市場前景

  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

  目前風(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風(fēng)機(jī)保護(hù)風(fēng)葉用,另外每一臺風(fēng)機(jī)還需要配備功率大約相當(dāng)于其功率10%~50%的動態(tài)儲能電池。對于風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電,則需要更大比例的動態(tài)儲能電池,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)電場的動態(tài)能源儲存系統(tǒng)。圖2為日本Tomamae風(fēng)電場4MW×1.5hourVRB-ESS(SEI公司)。

  2.光伏發(fā)電

  顧名思義,光伏發(fā)電需要太陽光,一旦到了晚上和陰雨天就發(fā)不了電,因而需要儲能電池為其儲存電力,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)電儲能電池的首選。圖3是離網(wǎng)光伏儲能釩電池充電站。

  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、下兩個水庫,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??梢灶A(yù)期,隨著釩電池技術(shù)的發(fā)展,釩電池儲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,適合于作電動汽車的動力電源,也可以解決汽車尾氣排放而造成的空氣污染問題。釩電池作為汽車驅(qū)動力的優(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)急照明場所,也可用作計算機(jī)以及一些軍事設(shè)備的備用電源。圖4是南卡羅來納州空軍基地60KWhVRB-ESS系統(tǒng)。

  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)輸電線路造價高昂,使用釩電池并配以太陽能、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、無線電傳播站等供電系統(tǒng)


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