1.钒电池的概念及原理
1.1.钒电池定义
钒电池全称为全钒氧化还原液流电池Vanadium Redox Battery,缩写为VRB,是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池;
1.2.钒电池的特点
a)能量存储于电解液中,增加电解液储罐的体积或者提高电解液的浓度均可增加电池容量;即对于相同功率输出的钒电池,可根据需求任意调整容量;非常适合大容量储能应用； b)输出功率由电池堆中参与反应的面积决定,可通过增加或减少单电池和不同电池组串连和并联调整满足不同功率需求,目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6000kW；机器人焊接
c)充放电不涉及固相反应,电解液的理论使用寿命无限,可以长期使用;铅酸蓄电池充电过程中,溶液中的铅离子转化为固态氧化铅沉积在电极表面,放电过程中固态氧化铅电极重新溶解进入 液相,充放电过程伴随极板物质的液相/固相转化;为了保证固态氧化铅电极晶型的稳定性,电池充放电程度需要严格控制；电极结构的变化导致电化学性能逐渐劣化,原理上决定了有限的充放电循环和电池寿命；
d)反应速度快,可在瞬间启动,在运行过程中充放电状态切换只需要秒,响应速度1毫秒；
e)理论充放电时间比为1：1实际运行：1,支持频繁大电流充放电,深度充放电对电池寿命影响不大,充放电状态下电池正、负极活性物质均为液相,不会出现镍氢电池、锂离子电池等蓄电池因电极上枝状晶体的生长而将隔膜刺破导致电池短路的危险；
覆盖膜
f)电池堆可与电解液相分离,存储于电解液中的能量可长期保存,不会因自放电损耗；
性蚀g)能量循环效率高,充放电能量转换效率达75%以上,远高于铅酸电池的45%;电解液在充放电过程中不消耗,重复充放电不影响电池容量；
h)能量的存储量可以精确地测量出来；
i)正负极使用同一种金属离子的电解液,避免了电解液交叉污染问题,提高了电池的效率和寿命；
j)电解液的流动性,可使电池组中各个单电池状态基本一致,可靠性高；
k)可以通过增加电解液或更换电解液的方式增加系统运行时间;通过更换电解液,可实现瞬间再充电,类似于汽车加油；
l)结构简单,更换和维修容易,使用费用低廉,维护工作量小；
m)可全自动封闭运行,无噪音,无污染,维护简单,运营成本低；
n)可以同时对系统充电和放电,充放电方式可以根据不同的应用需求进行调整;可以同时有一种或多种电输入,也可以输出多种电压;如可以用串联电池组的电压放电,而充电则可以在电池堆的另一部分用不同的电压进行;
o)系统使用寿命长,充放循环寿命可超过10000次,远远高于固定型铅酸电池的1000次;目前加拿大VRB Power Systems商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过9年,充放循环寿命超过18000次；
p)多功能强光巡检电筒安全性高：钒电池无潜在的爆炸或着火危险,即使将正、负极电解液混合也无危险,只是电解液温度略有升高；
q)除离子膜外,材料价格便宜,来源丰富,不需要贵金属作电极催化剂,成本低;批量化生产后成本甚至低于铅酸电池；
r)电解液可长期使用,没有污染排放,对环境友好;
1.3.钒电池的工作原理
全钒液流电池是一种新型储能和高效转化装置,将不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质,分别储存在各自的电解液储罐中,通过外接泵把电解液泵入电池堆体内,使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动,采用离子交换膜作为电池组的隔膜,电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应,通过双电极板收集和传导电流,使储存在溶液中的化学能转换成电能;这个可逆的反应过程使钒电池可顺利完成充电、放电和再充电;钒电池的工作原理请见下图;
液流电池原理图1111s
1.4.钒电池性能
1.4.1.容量
无机颜料分散剂电池储能系统BESS以其最大功率kW和所存储的最大电能kW·h作为其容量标准;对于钒电池来说,这两个指标是相对独立的;基本上,电堆及PCS系统决定了系统功率,电解液浓度及体积决定了系统所能存储的电量; 钒电池一般实际能量密度约为20-30Wh/l,75kW·h容量大概需要2500-4000L电解液,等量放置在正极和负极液罐中;对于给定功率级别系统来说,储能的增加成本主要是添加的电解液成本,在高的kW·h/kW的比例下,钒电池可以得到更好的应用,一般设计储能时间约为4-10小时;
1.4.2.功率
钒电池功率由电池在给定电流密度下的所表现出的电压决定,对任何电化学电池来讲,放电电流的增加都会导致电压下降,当反应物被消耗时也会导致电压下降;钒电池的开路电压一般为满电—完全放电,电压也会随电解液组成发生轻微变化,放电时平均电压约为 ;电池的电流容量由电极的表面积决定,面积越大,额定电流越高,在多数钒电池中实际可用的最大电流密度约为 100mA/cm2,当电流过大时,欧姆降产生的热量可能会对电池组件造成损害;
1.4.3.过充过放
从电池化学角度来讲,过充会对钒电池的电解液及电池组件产生不利影响,因为过充超过一定电压时会产生水的电解,发生析氢和析氧现象,大多数电池都会设计为可将生成气体快速排放到大气中,尽量降低在电池中累积的危险;与其他电池相比,钒电池在受过充影响方面还是具有一定的优势,由于通过各电池的电解液处于同样的SOC状态,单个电池的电压与电堆的的平均电压相同,因此可以自动的维持电池平衡;大多数钒电池都会包含控制系统,通过监测参考电池的电位,来控制整体电池不会被过充;钒电池具有很好的过放性能;
1.4.4.空间需求
钒电池更适合应用于对空间没有过多限制的场合,最近的很多设计致力于更有效的利用空间,从而降低由此带来的用地及基建成本;
1.4.5.维护
钒电池的评价寿命一般超过十年,在寿命期内可以进行比较少的维护,例如间隔6个月进行一次可视的巡检,每年进行外部的清洗以及对螺栓扭矩的检查,随着技术的不断成熟,可以将定期检查的间隔加长;理论上,钒电解液不会发生老化及变质,但在早期研究中建议在一定时
间后对正负极电解液量进行重新平衡以消除通过隔膜的水迁移带来的影响,但近期研究认为,通过补水来代替平衡液位更为必要,因为在长期的充电过程中电解液会发生失水;
1.4.6.寿命
电堆是决定钒电池寿命的关键部件,会随时间发生性能衰减,需要进行更新或更换,电堆内限制寿命的部件为隔膜,会发生老化或破裂,过充则会使电极发生老化;按照每年1000次循环计算,电堆的期望寿命约为10-15年,泵的期望寿命也应该至少在10-15年,通过更换电堆,泵等其他部件,钒电池的期望运行寿命超过20年;
