全钒液流储能电池的原理

全钒储能液流电池是将化学能和电能相互转换。化学能存储于不同阶态的钒离子中，电解质溶液为钒离子硫酸电解液，电解液通过泵从两个独立的塑料存储罐中流入两个半电池组单元，采用一个质子交换膜（PEM）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。这个反应过程可以逆反进行，对电池进行充电、放电和再充电。

从上图可以看出，全钒氧化还原液流电池包括两个具有不同氧化状态钒离子的电解液存储罐，分别是正极V（Ⅳ）/V（Ⅴ）和负极V（Ⅱ）/V（Ⅲ）氧化还原电极对。电解液由泵在存储罐和电堆之间循环输送。电堆包括多个电池组，每个电池组具有两个半电池部分，由质子交换膜隔开。在半电池组中，电化学反应是在碳板电极上进行的，产生电流对电池进行充放电。

全钒液流储能电池的特点

1）安全性好：全钒液流电池的储能活性物质为钒离子的水溶液，常温常压运行，不会发生燃烧。经过长时间运行，即使离子传导膜发生破裂，正负极活性物质发生互混，也不会发生爆炸和燃烧。系统运行过程中，电解液在电堆和电解液储罐之间循环流动，电堆产生的热量可以有效排出，热管理简单。全钒液流电池体系的技术特性使得单体电池间一致性好，消除了像锂离子电池那样因为一致性差而导致的系统安全性问题。

2）循环寿命长：全钒液流储能电池的充放电循环寿命可达13000次以上，日历寿命超过15年。由于全钒液流储能电池的活性物质——钒离子存在于液态的电解液中，在电池反应过程中，钒离子仅发生价态变化，而无相变，且电极材料本身不参与反应，因此电池寿命较长。日本住友电工制造的25kW的全钒液流电池模块在实验室中运行，充放电循环次数超过16000次。与风电场配合使用的4MW/6MWh电池系统，在3年的应用中实现充放电循环27万次。在1MW/5MWh全钒液流电池储能系统中，电解液的成本约占整个成本的45%，由于电解液可循环使用，所以生命周期的性价比高。

3）充放电特性良好：全钒液流电池储能系统具有快速、深度充放电而不会影响电池的使用寿命的特点，且各单节电池均一性良好。另外，钒离子的电化学可逆性高，电化学极化也小，因而非常适合大电流快速充放电。与传统电池相比，全钒液流电池更加适应在过充、欠充、局部SOC区间等电网实际工况条件下运行的要求。

4)功率和容量独立设计：全钒液流电池储能系统的显著优势之一是功率和容量相互独立。全钒液流电池的功率由电堆的规格和数量决定，容量由电解液的浓度和体积决定。因此，功率的扩容可通过增大电堆功率和增加电堆数量实现，容量的提高可以通过增加电解液体积实现。功率和容量相互独立，使得设计更加灵活。

5)环境友好：全钒液流电池电解质溶液可循环使用和再生利用。电堆的关键材料中，电极材料为碳毡，双极板为碳板，集流板为紫铜板，端板为铝合金板或铸铁版，电解液传输管道为工程塑料管，材料来源丰富，加工技术成熟，易于回收利用，生命周期中环境友好。

全钒液流储能电池发展过程中面临的问题

1）能量密度偏低、体积较大。
电池系统需要配置大量的管路、阀件、电解液循环泵、换热器等辅助部件，使液流电池更为复杂，对电池系统的可靠性提出了更高的要求。

2）离子交换膜技术。
离子交换膜可以影响正、负极电解质之间的离子相互渗透率，从而影响液流电池的能量效率和电池的寿命，需要研究开发高选择性、高导电性的液流电池用离子交换膜。

3）高浓度和高稳定性的电解液制备技术。
此前电解液成本占到总成本的近50%。目前由于电池成本下降，电解液成本所占比例更大了。

钒电池在我国发展前景

1）过去15年间全球有超过50个项目验证了全钒液流电池的成熟商业化应用。长寿命、可重复放电、可靠性高的特点完全满足中国建设坚强电网的需求。

2）通过跨国整合和自主研发, 全球钒电池核心技术关键专利大多被中国公司掌握。90年代起，多家国内研究机构和公司开展了这方面的研究，积累相当的专业人才

3）中国拥有丰富的钒矿资源，加上相对低成本制造能力，为中国提供了大规模生产钒电池的必备条件。

4）可再生能源发展,环境改善需求等，使得全钒氧化还原液流电池在中国发展前景广阔。