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1、电源技术 综述钒电池储能系统的发展现状及其应用前景崔艳华，孟凡明（中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳，）摘要：全钒液流电池从年问世以来，经历了快速的发展并逐步走向商业化。由于其独有的优势，近年来在固定型储能系统上的应用得到了推广。概述了钒电池储能系统的发展历程及其研究现状，列举了澳大利亚新南威尔士大学（）、日本住友电工（）、钒电池动力公司（）建立的用于太阳能、风能储能及电站调峰、建筑物应急电源等不同场合的钒电池储能系统（）。简要介绍了我国的钒电池研究现状，分析了钒电池对钒资源的需求，指出钒电池储能系统的大规模推广将会大力促进我国对再生能源的利用，优化钒资源的综合利用。关键词：钒电池储
2、能系统（）；太阳能；风能；电站调峰；应急电源；钒资源中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（）（）、，：（）；，；收稿日期：基金 项 目：中 国 工 程 物 理 研 究 院 科 学 技 术 基 金 资 助 项 目（）作者简介：崔艳华（），女，重庆市人，副研究员，主要研究方向为化学电源。：（），钒 电 池 全 称 为 全 钒 氧 化还 原 液 流 电 池（，缩 写 为），在年 由 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 士 大学 的提 出。经 过 近年 的 研 发，钒 电 池 技术已趋成熟。在日本、南非等地用于电站调峰、太阳能储能、风能储能的钒电池系统已接近商业化。近年来全球对储能系统的需求快
3、速增长，钒电池的优势及其成功范例展示了钒电池在储能市场的广阔前景。本文将介绍钒电池的发展过程及在储能领域的应用研究现状，并对钒电池和钒资源优化利用的关联做简要分析。工作原理及特性钒电池的工作原理采用不同价态的钒离子溶液分 别 作 为 正 负 极 活 性 物 质，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。之后，溶液又回到储液槽，液态的活性物质不断循环流动。其电池反应如下：正极：!（）（）负极：（）（）式中：为氧化还原电对相对于标准氢电极的标准电势。从上式可知钒电池正负极的标准电势差为，这是对于正负极活性溶液浓度均为 而 言，如 果 溶
4、液 浓 度 提 升，电势差也会增大，更具实用价值。钒电池的优势及其应用钒 电 池 的 活 性 物 质 以 液 态 形 式 贮 存 在 电 堆 外 部 的 储 液罐中，流动的活性物质使浓差极化可减至最小，且电池容量取决于外部活性溶液的多少，调整容易。并且储液罐可灵活放置在电池下层的地下室中，不必占用太多空间。由于不存在复杂的固相反应，因此电池寿命长，能耐受大电流充放。并且各个单体电池的均匀性好，维护相对容易。可通过更换溶液实现电池 的“即 时 充 电”，具 备 快 速响 应 和 超 负 荷 工 作 能 力；活 性 溶液可重复循环使用，不污染环境等众多优势。钒电池作为储能电源主要应 用 在 电 厂
5、（电 站）调 峰 以 平衡负荷，大规模光电转换、风能发电的储能电源以及作为边缘地区储能系统，不间断电源或应急电源系统。该电池是目前最有可能部分取代铅酸储能电池的理想电源。目前常用的钒电池系统主要用于电网调节、太阳能、风能的蓄能等。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 5 页 -电源技术 综述 的钒电池研究钒电池的工作最早开始于年，澳大利亚新南威尔士大学（）提出将 电对和 电对应用于氧化还原电池中，之后发现了价钒离子可 稳 定 存 在 于 硫 酸 介 质 中，使 这 一 体 系 的 实 用 成 为 可 能。年，全钒离子电池体系获得专利。之后，该大学对钒电池 的 相 关 材
6、 料，如 隔 膜、导 电 聚 合 物 电 极、石 墨 毡 等 进 行 了 深入研究，主要研究内容如下所述。年，全钒离子电池体系性能介绍见参考文献。年，钒盐溶解工艺获得专利。对钒系化合物进行了基础研究，对钒的氧化还原电对进行了动力学研究，。双极板材料和电极材料石墨毡的性能研究表明：碳聚丙烯 复 合 电 极，电 阻 率 达?，电 流 密 度 为，充放电时电压效率达。用聚氯乙烯（）、尼龙（）、尼 龙（）、低 密 度 聚 乙 烯（）或 高密 度 聚 乙 烯（）与 导 电 填 充 物 制 备 复 合 电 极，将 石 墨 毡与碳聚合物粘接制备电极，电池电压效率达。石墨毡在!热处理后性能大大改善，能量效率从
7、上升至以上。过充后电极电阻有增加，原因是石墨毡表面氧含量有变化。年，钒 电 池 组 研 制 成 功，能 量 效 率 达以上，泵 损 耗；放 电 时，放 电 容 量 达 到 理 论容 量 的；浓 度 为 ，电 池 组 循 环 周 期达次，。溶液化学的相关研究，对 电对的电化学行为以及钒溶液的热稳定性进行了深入研究。研 究 复 合 隔 膜 的 制 备 方 法 并 进 行 评 价，对 陶 瓷、改 性 陶瓷以及、和（）、等离子交换膜的性能及改性进行了研究。同时对电池中水的迁移进行了研究，表明水透过离子交换膜的迁移和钒溶液的充电态有关。年，与矿 业 公 司 合 作，并 将 专 利 权转授予该公司。表为主
8、持的钒电池项目。之后，仍然继续钒电池的基础研究 并 申 请 了 胶 体电解液等专利，致力于提高电解液浓度和钒电池比能量。通过化学再生、添加稳定剂、改变支持电解质等方法可以得到 甚 至 浓度 达 的 不 流 动 胶 体 电 解 液 用 于 钒 电池中，并为后续的商用钒电池系统提供技术指导。的突出贡献在于发现了通过氧化钒（）溶液可以使高浓度的钒（）溶液稳定存在于硫酸介质中，从 而 使 全钒液流电池具有实用价值。同时他们所发明的从钒氧化物中制备钒电池溶液的方法成本低，工艺性好，也是钒电池能够得到推广的重要原因。专利情况年，泰 国 石 膏 制 品 公 司（，）第一个从获得专利许可，将钒电池技术应用于太
9、阳 能 屋。同 时，三 菱 化 工（）和 鹿 岛 电 厂（）也 得 到 许 可 在 鹿 岛电 厂 建 成#电 站 调 峰 用 钒 电 池。年，将专利权转授予澳大利亚尖 峰 矿 业 公 司（）。该 公 司 于年 将 在 日 本 和 非 洲 大 陆 的 专 利 许 可 分 别 授 予了 日 本 住 友 公 司（）和 加 拿 大 的 万 泰 克 公 司（）。年月，公司通过收购公 司的 股 份 控 股，从 而 拥 有 了 钒 电池技术的核心专利权。年，公司改名为钒电池储能 系 统 技 术 开 发 公 司（），从 事 钒 电 池 技术的开发和转让。专利权的转让使钒电池技术得以在世界范围内更广泛地发展。钒
10、电池在日本的发展现状从年 起，日 本 住 友 电 工（）与 日 本合作开发钒电池。由于日本是一个电力短缺的国家，并且他们有多年的集团化开发大型化学液流电池储能系统的经验，因此，他们着重研发固定型钒电池储能系统用于电站调峰、风能储能及太阳能储能。年，住友电工（）的电站调峰用 级钒电池建成。运行年，循环周期达次。年，研究钒电池溶液与碳电极之间的反应，电极材料有（）和 两 种 碳 纤 维（），研 究 证 明最 佳，并 有 多 份 关 于 钒 电 池结构和溶液制备的专利问世。年，三 菱 化 工（）从获得许可，年，开发光伏系统用钒电池储能系统。#的（单 个 电 堆 为、）钒 电 池 系 统 建 成，电
11、流 密度为 时可以 的功率密度输出。年，横滨大学开展钒电池隔膜商业化的研究。离 子交 换 膜 采 用 交 联 技 术 得 到 好 的 性 能。钒 电 池 电 流 效 率 达，电压效率达，总效率达。年，建成电站调 峰 用级 钒 电 池，循 环 周期达次（年至今）。年月，#电站调峰用钒电池在鹿岛电厂建成，达次循环，证明钒电池可以商业化。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 5 页 -电源技术 综述年，与达 成 共 同 开 发 钒 电 池 技 术 的 协议，授 权 日 本 三 菱（）和应 用 钒 电 池 技术，而对方则为在日本之外的区域提供钒电池部件。在 日 本建 成，的电站
12、调峰钒电池系统，并且相继建成了一些风能储能和其它固定型钒电池系统。年，研究钒电池在能量储存系统的试验。、钒电池在日本第一次投入商业运营。年月，在北海道电厂（，）建成风力储能钒电池系统。目 前，的 实 验 室 钒 电 池 电 堆 已 达 次 循环，历经年还能使用。除了电池隔膜的寿命有限，其它组件，包括电解液，都是可以循环使用的，这一特性较其它寿命有限的化学电源来说，有很大的成本优势。表为自年起建设的商用钒电池系统。从 表可 见，已 经 具 备 完 整 的 生 产 和 组 建 钒 电 池 系统的全套技术，其组建的钒电池系统已投入商业运营，其技术成熟度居世界首位。（又名 ）开发的钒电池系统技 术 从
13、世 纪年 代 中 期 一 直 局 限 于 在 日 本 发展，世纪年代后，电解液生产和 电 池 堆 体 的 制 造 技 术 慢慢开始传出日本，从而使商业化开发具备了可行性。年，从购得钒电池专利权及技术。年，与达 成 共 同 开 发 钒 电 池 技 术 的 协 议，并 在 日 本建 成，的 电 站 调 峰 钒 电 池 系 统，并且 相 继 合 作 建 成 了 一 些 风 能 储 能 和 其 它 固 定 型 钒 电 池 系 统。年月，加拿大的公 司 控股公 司，拥有 了 钒 电 池 技 术 的 核 心 专 利 权。之 后 在 南 非 开 发 了的系统，取得了第一个商业突破。年，公司改名为。由于 具
14、有 专 利 权，因 此 它 可以 此 为 交 换 条 件，得 到的 钒 电 池 部 件（如 电 堆），在 日 本之外组建钒电池系统。年，为 美 国 太 平 洋 电 力（）建 成、系 统，用 于 电 站 调 峰，并 给 尤 他 州东南部的边远地区供电，这是它在北美建立的第一个钒电池储能系统（）（其电池堆由提供）。建立的商用钒电池系统如表。的运作模式继 南 非 的 钒 电 池 项 目 成 功 建 设 和 运 行 之 后，集中了相关的钒资源开发集团和电力公司协作开发钒电池系统。作为南非国家电力公司，世界第五大电力供应商，由于对电网运行稳定性和可靠性有迫切需求，因此作为投资方和研发方，参加 钒 电 池
15、 调 峰 系 统 的 开 发，并 提 供的分网连接。海沃德矿业公司（）是的 最 大 用 户，并 拥有南非的钒资源开采和经营权，建立了钒电解液的试验工厂，在电池生产商的要求下为钒电池系统生产电解液，并具有规模生产能力。拥有制造和出售钒电池 相关 部 件 的 经 营 权，作为组织实施者，进行了核心部件的试验以削 减 成 本。这 三家 公 司 合 作 建 设 了工 程 作 为的 电网调节系统，并取得了成功。钒电池在国内的发展现状及前景研究现状中国 工 程 物 理 研 究 院 电 子 工 程 研 究 所 从年 率 先 在国内开始钒电池的研制。先后研制成功了、的钒电池样机，成功开发了价钒溶液制备、导电塑
16、料成型及批量 生 产、电 池 组 装 配 和 调 试 等 技 术。目 前，已 经 具 备 组 装级 的 钒 电 池 系 统 的 技 术 能 力。用 于 组 建 钒 电 池 系 统 的单元电 堆，可 以 的 电 流 密 度 输 出，库 仑 效 率可达!。年，国内钒钢龙头企业攀枝花钢铁公司以深化资源利用为目的，与中南大学合作介入了钒电池的研发。攀钢生产的和粉末可直接 用 于 钒 电 池价 钒 离 子名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 5 页 -电源技术 综述溶液的配制，其拥有的资源优势和技术优势对于推动钒电池在国内的商业化具有重要意义。目 前 国 内 也 有 其 它 的
17、研 究 机 构 开 展 了 钒 电 池 的 研 究，如东北大学、北京大学、重庆大学、大连化物所等。对钒资源产业的推动钒在地壳中分布较广，大多分布于岩石和其他矿物中。俄罗斯、南非、澳大利亚和中国是世界钒资源储量较丰富的国家。中国在攀枝花地区已探明的钒铁磁矿储量约亿，钒储 量 占 中 国 的!，世 界 的!，中 国 是 世 界 三 大 产 钒 国 之一，而攀钢又是世界三大钒生产商之一。攀枝花新钢钒公司以钒为代表的产品系列有钒渣、高钒铁、氮化钒等。世界主要的钒消费国是美国、俄罗斯、德国和日本。日本电池用钒的年需求为，约 占 世 界 的!，是世界最大电池耗钒国。而日本钒资源缺乏，只能靠进口维持。中国虽
18、然拥有丰富的钒储量，但在钒的应用方面和发达国家相距甚远，虽然目前这种状况有所改善，但很大部分的中国钒制品需要出口，钒资源产业对国际市场依赖性很大，因此新兴的钒电池给钒资源带来了巨大的市场潜力。以的钒电 池 单 元 为 例，评 估 钒 电 池 系 统 对 钒 产 品 的需求量，电池单元参数见表。根据能量换算，每千克含的理论能量（以单体平台电压计算），这样可以计算钒电池的理论耗钒量 为 （包 含 正 负 两 极 的 用 量，不 计 转 换 效率）。从表也可以推算钒溶液用量为（溶液浓度为），因 此 的 钒 电 池 单 元 理 论 耗 钒 量 为，与 理 论 用 量 相 符 合。常 用 的 储 能 系
19、 统，如 美 国电力公司的 钒电池储能系统，其耗钒量可达。而储能市场仅以风能论，对储能电池的需求都达到了数。可见钒电池在储能市场的推广将会大大提高钒用量，据估计，钒电池的大规模商用，将会使钒的用量增 加#倍，这对促进我国钒资源的深加工和优化利用有重要意义。结束语钒 电 池 经 历 了年 的 发 展，在 国 外 已 趋 商 业 化，多 套 大型钒电池储能系统应用于电网负荷平衡、风力混合发电、太阳能储能、大功率应急电源等场合。尽管钒电池在我国尚处于实验室样机阶段，但是中国地大物博，电站、太阳能、风能对大型化学电源储能系统的需求都蕴涵着巨大的商机。目前，我国太阳能、风能发电装置及应急电源都主要采用铅
20、酸电池，铅酸电池的回收在我国还没有形成规模，大量的废旧电池对环境造成的污染已经引起了政府的关注。因此，发展新型的无污染可回收的钒电池用于以上场合，将是很好的选择。同时，我国电站目前还没有使用化学储能系统，大量的电力资源白白地浪费。如果利用钒电池建成电站贮能系统，不仅可以节约能源，减少国家建设电站的巨额投资，同时为保护环境，提高电站效益发挥重要作用。我国丰富的钒资源更为钒电池的发展奠定了有利条件。参考 的发展模式，钒生产商、电池制造商、电力公司的联合是一种行之有效的运作模式，达到了资源的优化组合，使多方利益得以提高。因此，钒电池在我国有很大的发展空间，尤其在储能能源市场大有可为。同时钒电池的推广
21、也可充分利用我国的钒矿资源，带动钒产业和电池材料生产企业的发展，创造良好的经济效益。参考文献：，（）（），：，（）（），：，：，：，：，（）（），：，（）（），：，：，：，：，：，：，：，（）（），：，：，（），（）：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 5 页 -电源技术 综述，：，（）：，：，（）：，（）：，（）：电源技术是我国唯一的化学与物理电源（即电化学电池与太阳电池等）综合技术期刊，经原国家科委批准，国内外公开发行。主要读者对象为从事化学与物理电源科研生产的科技工作者、科技管理工作者及电池用户，长期面向全国电池研究与工作人员征稿。为了方便作者投稿，兹将本刊文稿
22、的一些主要投稿要求介绍如下：论文、综述、专家述评以字 为 限，附 有 中、英文对应的文题、作者单位、署名、作者简介、摘要、关键词。文章标题最长不超过字。若有困难，可采用主标题加副标题的方法解决。标题应中英文对应。英文标题不超过个实词。研究论文应提供报道性文摘，字左右，以第三人称叙述，主要表达文章中有创新意义的内容，含有 目的、方法、结果、结论 等要素。综述采用指示性文摘，指明文章的主题范围，字左右。摘要采用第三人称写法，采用规范化名词术语，主要表达文章中有创新意义的内容，不含对文章的评论和解释。文摘应中英文对应。英文文摘不超过个词。关键词以!个为宜，能够表达文章主题。署名不超过个，协作者可在文
23、后致谢，不应列入作者署名。须提供第一作者简介，注意顺序和标点：姓名（出 生 年），性 别（民族），籍 贯，职 称 或 职 务，学 位，主 要研究方向。中英文对应。论文中层次标题序号以不超过级为宜：第级：；第级：；第级：；请将文中的插图与表格用计算机绘制。若结构示意 图 文 字 太 多，可 用 数 字 代 号，其 含 意 在 图 下 列 出；坐 标图中曲线为粗实线，坐标轴为细实线；请注明绘图所用软件。表格采用格线表，表头处无斜线。插图的图题和表格的表题均须中英文对应，图表内文字须为中文。论文属于获省部级以上基金资助项目，在加注脚处标明后，须在圆括号内注明其项目标号。参考文献中的作者署名，不多于人
24、全部著录；多于人，著录人后加“等”、“”，如：张，王，李，等；或，。无论中外署名，一律姓先名后，姓不缩写、名缩写。参考文献采用顺序编码制，并在文章中以相应的上角标标明，著录方法如下：书著者书 名版 本出 版 地：出 版 者，出 版年起止页码期刊文章作者题（篇）名刊名，出版年，卷号（期号）：起止页码论文集文章作者题（篇）名论文集名出版地：出版者，出版年起止页码科学技术报告著者题（篇）名出版地：出版者，出版年起止页码学位论文著者题（篇）名出版地：出版者，出版年起止页码专 利专 利 所 有 者专 利 题 名国 别：专 利 号，日期国际或国家标准标准编号，标准名称电子文献作者题（篇）名电子文献出处或可
25、获得地址，发表或更新日期引用日期（任选一个）所有来稿均请用电子邮件（请务必写明主题，以免被误删）发至本刊信箱，没有 条 件 发 电 子 邮 件 的 作 者，也务必请通过寄送软盘的方式投稿。投稿后一个星期内即可向本刊索取稿件编号，以备查询。本刊收稿后个半月至个月内向作者发出是否录用的通知，若有逾时，务请来电垂询。来稿一律不退，请作者自留底稿。稿件一经刊登，本刊即向作者支付稿酬，并寄送当期杂志。来稿请注明联系人的详细通迅地址、邮政编码、联系电话、电子邮件地址等。文章在发表前联系方式若有变化，请务必及时通知我刊编辑部。本 刊 所 发 表 的 文 章 也 将 被中 国 学 术 期 刊（光 盘版）和“万 方 数 据数 字 化 期 刊 群”等 收 录，不 再 额外支付稿酬，如果作者不同意收录，请在投稿时注明。来 稿 请 寄：天 津 市信 箱分 箱 电 源 技 术 编辑部。本 刊 联 系 电 话：#；传 真：#；电子邮件地址：或。电源技术 编辑部电 源 技 术 征 稿 简 则名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 5 页 -