全釩液流電池

1、全釩液流電池第一頁，共21頁。 全釩液流是液流電池（也稱氧化還原液流蓄電系統(tǒng)）家族中的一員。液流電池最早由美國航空航天局（NASA）資助設(shè)計。1974年由H.L.Thaller公開發(fā)表并申請了專利。30年來，多國學(xué)者通過交換2個氧化-還原電對，提出了多種不同的液流電池體系。 全釩氧化還原液流電池（VRB）的原理最早在 1984 年，由新南威爾士大學(xué)的 Maria Skyllas-Kazacos 等研究人員提出，之后經(jīng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓和發(fā)展，在澳大利亞、 日本和加拿大得到深入研究第二頁，共21頁。 1.釩液流電池利用釩有釩液流電池利用釩有5+、4+、3+和和2+多種多種價態(tài)，可形成相鄰價態(tài)價態(tài)，可形成相

2、鄰價態(tài)的電對的特點組成電池，的電對的特點組成電池，電解質(zhì)作為只傳導(dǎo)離子的非電子導(dǎo)體，其內(nèi)電解質(zhì)作為只傳導(dǎo)離子的非電子導(dǎo)體，其內(nèi)部的電荷平衡是通過溶液中部的電荷平衡是通過溶液中H+H+在離子交換膜兩側(cè)的遷移來完成。在離子交換膜兩側(cè)的遷移來完成。，標準電位差約為，標準電位差約為1.251.25. .正極正極由由5+/4+電對組成電對組成 :負極由負極由3+/2+電對組成電對組成 :具有不同價態(tài)的釩離子溶液分別作為正極具有不同價態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負極的活性物質(zhì)，分別儲存在各自的電和負極的活性物質(zhì)，分別儲存在各自的電解液儲罐中。在對電池進行充、放電實驗解液儲罐中。在對電池進行充、放電實驗時，

3、電解液通過泵的作用，由外部貯液罐時，電解液通過泵的作用，由外部貯液罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負極室，并分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負極室，并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實現(xiàn)對在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實現(xiàn)對電池的充放電電池的充放電 第三頁，共21頁。V電池能量儲存在溶液中, 所以系統(tǒng)容量由電解液的容器尺寸所決定，功率由電池組的尺寸決定. 因此， V電池更象可充電的燃料電池，而不象普通的電池。第四頁，共21頁。 釩電池利用不同價態(tài)的釩離子的氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，具有以下8個主要特點：電池的功率和容量可以分開設(shè)計，增加容量方便；自放電率低，長時間儲存，釩電池的儲能系統(tǒng)達到兆瓦

4、級；過放電能力強；釩電池的電解液循環(huán)流動，消除了熱失控和電化學(xué)極化的問題，實現(xiàn)大電流充放電；溫度對釩電池的影響相對??；循環(huán)壽命長；電解液循環(huán)使用，減少環(huán)境污染；成本低和維護簡單等。2.釩液流電池的特征釩液流電池的特征 第五頁，共21頁。電池系統(tǒng)組裝電池系統(tǒng)組裝設(shè)計靈活設(shè)計靈活，易于模塊組合易于模塊組合活性物質(zhì)以液體狀態(tài)貯存于電堆外活性物質(zhì)以液體狀態(tài)貯存于電堆外的儲液罐中，的儲液罐中，電池容量取決于外部活電池容量取決于外部活性物質(zhì)濃度和容量多少；性物質(zhì)濃度和容量多少；功率輸出和能量儲存是相互功率輸出和能量儲存是相互獨立獨立的。的。充充/ /放電可通過放電可通過 簡簡單增加電解液單增加電解液來實現(xiàn)

5、來實現(xiàn)第六頁，共21頁。釩液流電池具有的特征釩液流電池具有的特征 電池系統(tǒng)電池系統(tǒng)易于維護，安全穩(wěn)定易于維護，安全穩(wěn)定電池的反應(yīng)不存在固相反電池的反應(yīng)不存在固相反應(yīng)，容易保證電堆的一致應(yīng)，容易保證電堆的一致性和均勻性性和均勻性電池的電解液均置于相同的儲液罐中，兩個電池的電解液均置于相同的儲液罐中，兩個電池的放電狀態(tài)是相同的電池的放電狀態(tài)是相同的 其工作溫度其工作溫度為室溫條件為室溫條件，系統(tǒng)安全，系統(tǒng)安全穩(wěn)定穩(wěn)定第七頁，共21頁。3. 釩液流電池的組成釩液流電池的組成 釩電池主要由電堆、控制系統(tǒng)和電解液組成 第八頁，共21頁。單個電池由電極、隔膜、雙極板和板框組成。單個電池組裝成電堆。釩電池的

6、電極材料有石墨氈和碳氈之分。燒制溫度高、石墨化程度高的產(chǎn)品，就可以叫做石墨氈；而燒制溫度低一些或者低很多、石墨化程度相對低的產(chǎn)品，就可以叫做碳氈。石墨氈/碳氈按照原材料的不同主要分為聚丙烯腈基和粘膠基兩大類。第九頁，共21頁。（1）電堆 電堆是釩電池系統(tǒng)的核心部分，它是電化學(xué)反應(yīng)的場所和實現(xiàn)儲能系統(tǒng)電能喝化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的場所。電堆對儲能系統(tǒng)的成本、功率、循環(huán)壽命、效率和維護等性能均有至關(guān)重要的作用。電堆由集流體、液流框、電極和隔膜組成。將組裝好的釩電堆與電解液儲液罐相連，形成充放電回路，循環(huán)泵使得電解液不斷地循環(huán)流動，釩電池組就能進行充放電實驗。（2）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要包括充放電控制系統(tǒng)和

7、泵循環(huán)系統(tǒng)。充放電控制系統(tǒng) 充電控制系統(tǒng)主要由直流交換模塊和均流控制電路組成，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電轉(zhuǎn)換成釩電池系統(tǒng)的化學(xué)能；放電控制系統(tǒng)是通過逆變器將釩電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，供用電系統(tǒng)使用。第十頁，共21頁。泵循環(huán)系統(tǒng) 泵循環(huán)系統(tǒng)為釩電池提供基本的運行條件。泵選用直流泵且耐酸腐蝕。（3）電解液 電解液是釩電池中起電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)，要求其具有較高的穩(wěn)定性和電導(dǎo)率。確定電解液的純度并對關(guān)鍵雜質(zhì)的含量進行控制是非常重要的。此外，還需要向電解液中加入某些適量的穩(wěn)定劑，以提高電解液的長期穩(wěn)定性、溫度適應(yīng)范圍等。（4）隔膜 釩電池隔膜的作用是將正負半電池中的電解液分開，只讓H+自由通過

8、。理想的隔膜應(yīng)具備離子不滲透、H+遷移速度快、而電阻小、耐腐蝕、耐氧化和壽命長等性能。第十一頁，共21頁。 4.釩電池的材料釩電池所用的材料包括集流體、膜材料和電解液等。（1）雙極板 雙極板主要選用石墨板和導(dǎo)電塑料。石墨板 石墨板具有導(dǎo)電性好和大電流充放電等優(yōu)點，但是缺點很明顯：石墨板易刻蝕，尤其在過充的條件下，容易被電化學(xué)腐蝕；如果嚴重時被電化學(xué)腐蝕穿透，導(dǎo)致釩電池正、負極電解液串液，這將影響釩電池的使用壽命；石墨板價格貴、脆性大等。這些缺點嚴重影響了石墨板在釩電池中的應(yīng)用。導(dǎo)電塑料 導(dǎo)電塑料具有密度小、易加工成型、成本低和適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)等特點，因此導(dǎo)電塑料集流體是未來研究發(fā)展的熱點。常

9、用的膜材料有Daramic膜、Nafion膜和Selemion AMV等。雙極板，一方面起到導(dǎo)電的作用，也就是把相鄰的正極和負極連接起來（這時候功能就像導(dǎo)線一樣）；另一方面起到分隔正負極電解液的作用。第十二頁，共21頁。（2）膜材料 隔膜是親水性的，即允許H+自由通過，又要求必須抑制正負極電解液中不同價態(tài)的釩離子的相互混合，以避免電池內(nèi)部短路，同時具有良好的導(dǎo)電性和選擇性。離子交換膜一般選用交換H+的氧離子交換膜。Nafion材料是釩電池的常用的隔膜材料，不足之處在于它的價格昂貴，其成本占整個電堆的60%70%，因此隔膜材料的國產(chǎn)化合氣體隔膜的改性處理是釩電池隔膜的發(fā)展方向和解決重點。（3）電

10、解液材料 釩電池的電解液由不同價態(tài)釩的離子溶液和支持電解質(zhì)組成，其正極物質(zhì)為V（）/V（）溶液，負極物質(zhì)為V（）/V（）溶液。釩電池的溶液既是電極活性物質(zhì)，又是電解液，要求能夠長期穩(wěn)定存在，同時化學(xué)活性高。增大釩溶液的穩(wěn)定性主要有兩種方法：一種是提高溶液的酸度；另一種是加入添加劑，如EDTA、吡啶和明膠等。溶液濃度適當提高和尋求適當?shù)奶砑觿┦氢C電池溶液的重要研究方向。第十三頁，共21頁。制備電解液的方法主要有兩種：混合加熱制備法和電解法。混合加熱法適合于制取1mol/L電解液，電解法可制取35mol/L的電解液?；旌霞訜嶂苽浞ㄊ菍2O3在H2SO4中溶解活化，然后用還原劑使V（）還原為V（）

11、或V（）即可得到。利用亞硫酸還原取得了較好效果。電解法采取隔膜電解法以及通過電解V2O3和NH4 VO3兩種方法。釩電池電解液通常硫酸濃度為1.55molL-1，釩離子的濃度從12.5molL-1第十四頁，共21頁。充電結(jié)束時，正極為淡黃色的V5+，負極為紫色的V2+，放電完成時，正極為正極為藍色的V4+，負極為淺綠的V3+所以可以通常利用電解液的顏色判斷充放電狀態(tài)，在充放電過程中，負極需要密封，防止氧化釩電池個價態(tài)電解液的顏色以及電池運行過程第十五頁，共21頁。5.全釩液流電池研發(fā)全釩液流電池研發(fā)VRB Power System住友電工住友電工關(guān)西電力關(guān)西電力（株）（株）清華大學(xué)清華大學(xué)大連

12、化物所大連化物所發(fā)明者發(fā)明者中南大學(xué)中南大學(xué)第十六頁，共21頁。5.1釩電池存在問題：1）電池體積太大；2）電池對環(huán)境溫度要求太高；循環(huán)壽命問題3）價格貴；4）系統(tǒng)復(fù)雜5）能量轉(zhuǎn)換效率。第十七頁，共21頁。6.釩電池的應(yīng)用 它具有特殊的電池結(jié)構(gòu)，可深度大電流密度放電；充電它具有特殊的電池結(jié)構(gòu)，可深度大電流密度放電；充電迅速；比能量高；價格低廉；迅速；比能量高；價格低廉； 應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊：如可作為大廈、機場、程控交應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊：如可作為大廈、機場、程控交換站備用電源；可作為太陽能等清潔發(fā)電系統(tǒng)的配換站備用電源；可作為太陽能等清潔發(fā)電系統(tǒng)的配套儲能裝置；為潛艇、遠洋輪船提供電力以及用于套儲能

13、裝置；為潛艇、遠洋輪船提供電力以及用于電網(wǎng)調(diào)峰等。電網(wǎng)調(diào)峰等。 釩電池成本與鉛酸電池相近，它還可制備兆瓦級電釩電池成本與鉛酸電池相近，它還可制備兆瓦級電池組，大功率長時間提供電能，因此釩電池在大規(guī)池組，大功率長時間提供電能，因此釩電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有鋰離子電池、鎳氫電池不可比擬的模儲能領(lǐng)域具有鋰離子電池、鎳氫電池不可比擬的性價比優(yōu)勢。性價比優(yōu)勢。 釩電池生產(chǎn)工藝簡單，價格經(jīng)濟，電性能優(yōu)異，與制造釩電池生產(chǎn)工藝簡單，價格經(jīng)濟，電性能優(yōu)異，與制造復(fù)雜、價格昂貴的燃料電池相比，在大規(guī)模儲能的應(yīng)用復(fù)雜、價格昂貴的燃料電池相比，在大規(guī)模儲能的應(yīng)用前景方面，更具競爭實力。前景方面，更具競爭實力。第十八頁，共21頁。 與風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)與風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng) 配套使用，使其配套使用，使其 火力發(fā)電及核