钒电池

钒的新应用--钒电池
钒电池是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一（它的制造、使用及废弃过程均不产生有害物质），它具有特殊的电池结构，可深度大电流密度放电；充电迅速；比能量高；价格低廉；应用领域十分广阔：如可作为大厦、机场、程控交换站备用电源；可作为太阳能等清洁发电系统的配套储能装置；为潜艇、远洋轮船提供电力以及用于电网调峰等。
钒电池成本与铅酸电池相近，它还可制备兆瓦级电池组，大功率长时间提供电能，因此钒电池在大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可比拟的性价比优势。钒电池生产工艺简单，价格经济，电性能优异，与制造复杂、价格昂贵的燃料电池相比，无论是在大规模储能还是电动汽车动力电源的应用前景方面，都更具竞争实力。
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。早在60年代，就有铁—铬体系的氧化还原电池问世，但是钒系的氧化还原电池是在1985年由澳大利亚新南威尔士大学的Marria Kacos提出，经过十多年的研发，钒电池技术已经趋近成熟。在日本，用于电站调峰和风力储能的固定型（相对于电动车用而言）钒电池发展迅速，大功率的钒电池储能系统已投入实用，并全力推进其商业化进程。前期工作：我单位从1995年率先在国内开始钒电池的研制。先后研制成功了20W、100W、500W的钒电池样机，在钒电池的关键技术上有所突破，填补了国内空白。成功开发了四价钒溶液制备、导电塑料成型及批量生产、中型电池组装配和调试等技术。1998年，500w的钒电池样机用于电瓶车的驱动。现已研制出800W的产品样机。主要参数如下：单体数：10个电极面积：784cm2；单体电池厚度：13mm；电解液浓度：1.5M VOSO4＋2M H2SO4；电解液量：10L；理论容量：200Ah；最大充电电流：80A（电流密度102mA/cm2）；充电电压（50^充电状态）：40A充电电压为15.0V，80A充电电压为16.5V；充电容量：40Ah；最大放电电流：80A（电流密度102mA/cm2）；放电电压（50^放电状态）：40A放电电压为11.5V，80A放电电压为10V；放电容量：30Ah；充放电利用率：≥80^；电堆最大功率：≥800W。
　钒电池（VRB）是一种可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。VRB作为一种化学的能源存储技术，和传统的铅酸电池、镍镉电池相比，它在设计上有许多独特之处，性能上也适用于多种工业场合，比如可以替代油机、备用电源等。利用VRB技术设计制造的VESS系统（VanadiumEnergy Storage System，即钒能源存储系统），其设计和操作特性在VRB的基础之上被优化，而且集成了许多自动化的智能控制和用于管理操作的电子装置。简单地说，钒电池将存储在电解波中的能量转换为电能，这是通过两个不同类型的、被一层隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现的。电解液是由硫酸和钒混合而成的，酸性和传统的铅酸电池一样。由于这个电化学反应是可逆的，所以VRB电池既可以充电，也可以放电。充放电时随着两种钒离子浓度的变化，电能和化学能能相互转换。 VRB电池由两个电解液地和一层层的电池单元组成。电解液地用于盛两种不同的电解液。每个电池单元由两个“半单元”组成，中间夹着隔膜和用于收集电流的电极。两个不同的“半单元”中盛放着不同离子形态的钒的电解液。每个电解液池配有一个泵，用于在封闭的管道中为每一个“半单元”输送电解液。当带电的电解液在一层层的电池单元中流动时，电子就流动到外部电路，这就是放电过程。当从外部将电子输送到电池内部时，相反的过程就发生了，这就是给电池单元中的电解液充电，然后再由泵输送回电解液池。在 VRB中，电解液在多个电池单元间流动，电压是各单元电压串联形成的。标称电压是1.2V。电流密度由电池单元内电流收集极的表面积决定，但是电流的供应取决于电解液在电池单元间的流动，而不是电池层本身。VRB电池技术的一个最重要的特点是：峰值功率取决于电池层总的表面积，而电池的电量则取决于电解液的多少。在传统的铅酸和镍福电池中，电极和电解液被放置到一块，功率和能量强烈地依赖于极板面积和电解液的容量。但VRB电池不是这样，它的电极和电解液不一定必须放到一块，这就意味着能量的存放可以不受电池外壳的限制。从电力上来讲，不同等级的能量可以为电池层中不同的电池单元或单元组中通过提供足够的电解液来得到。给电池层充电和放电不一定需要相同的电压。例如，VRB电池可以用串联电池层的电压放电，而充电则可以在电池层的另一部分用不同的电压进行。
钒电池（VRB）是一种可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。VRB作为一种化学的能源存储技术，和传统的铅酸电池、镍镉电池相比，它在设计上有许多独特之处，性能上也适用于多种工业场合，比如可以替代油机、备用电源等。利用VRB技术设计制造的VESS系统（VanadiumEnergy Storage System，即钒能源存储系统），其设计和操作特性在VRB的基础之上被优化，而且集成了许多自动化的智能控制和用于管理操作的电子装置。简单地说，钒电池将存储在电解波中的能量转换为电能，这是通过两个不同类型的、被一层隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现的。电解液是由硫酸和钒混合而成的，酸性和传统的铅酸电池一样。由于这个电化学反应是可逆的，所以VRB电池既可以充电，也可以放电。充放电时随着两种钒离子浓度的变化，电能和化学能能相互转换。 VRB电池由两个电解液地和一层层的电池单元组成。电解液地用于盛两种不同的电解液。每个电池单元由两个“半单元”组成，中间夹着隔膜和用于收集电流的电极。两个不同的“半单元”中盛放着不同离子形态的钒的电解液。每个电解液池配有一个泵，用于在封闭的管道中为每一个“半单元”输送电解液。当带电的电解液在一层层的电池单元中流动时，电子就流动到外部电路，这就是放电过程。当从外部将电子输送到电池内部时，相反的过程就发生了，这就是给电池单元中的电解液充电，然后再由泵输送回电解液池。在 VRB中，电解液在多个电池单元间流动，电压是各单元电压串联形成的。标称电压是1.2V。电流密度由电池单元内电流收集极的表面积决定，但是电流的供应取决于电解液在电池单元间的流动，而不是电池层本身。VRB电池技术的一个最重要的特点是：峰值功率取决于电池层总的表面积，而电池的电量则取决于电解液的多少。在传统的铅酸和镍福电池中，电极和电解液被放置到一块，功率和能量强烈地依赖于极板面积和电解液的容量。但VRB电池不是这样，它的电极和电解液不一定必须放到一块，这就意味着能量的存放可以不受电池外壳的限制。从电力上来讲，不同等级的能量可以为电池层中不同的电池单元或单元组中通过提供足够的电解液来得到。给电池层充电和放电不一定需要相同的电压。例如，VRB电池可以用串联电池层的电压放电，而充电则可以在电池层的另一部分用不同的电压进行。
VRB电池用于通信，其优点明显：
（1）能量循环效率高；
（2）深度放电后寿不会受影响；
（3）不会由于电解液的腐蚀而使化学特性受到影响；
（4）电解液可以无限期使用（没有处理的问题）；
（5）循环寿是无限的（仅受隔膜的限制）；
（6）能量的存储量可以精确地测量出来；
（7）在使用中对环境的影响很小。这些特性为在各种各样的通信应用中发展直流能源存储系统提供了保障。
VESS是把VRB集成起来的、一个实用的能源存储系统。该系统中采用的专家控制技术，可以使操作管理、容量管理、日常维护、纠错处理、系统状态监视和外部通信自动化。 VESS放弃了在传统的备用能源中常用的如充电、放电、线电压等概念，而以能量存储和转移的概念来代替。 VESS在通信中应用的一个主要特征：VESS可以对现有的通信动力基础设施做出更有利的使用，而且可以考虑在新的无污染的通信应用中引入能源存储的基础设施。
作为一个单一的能源存储元件， VESS只需安装一次就可以多种不同的电压提供动力。相对于传统的串联型的铅酸或镍镉电池，这种优越性是显著的。
从存储的观点看，这是因为：
（1）所有存储起来的能量都在电解波中；
（2）可以输出的动力取决于电极（层）的尺寸；
（3）系统能量的密度可以从物理上和系统存储的能量隔离开来；
（4）存储起来的能量很稳定。
从系统运行的观点看，这是因为：
（1）每一个单元都具有相同的带电状态；
（2）系统可以同时充电和放电；
（3）充电速度比铅酸电池快；
（4）运行时可以有一种或多种电输入，而且可以输出多种电压值；
（5）有自动功能，可以自动整流和自动保护。
从系统维护的观点，这是因为：
（1）可以通过添加电解液来增加系统的独立运行的时间；
（2）系统的能量存储可以在任何时间增加，费用只有铅酸电池的20％;
（3）寿长，5～10年后只需更换部分零部件；
（4）维护量很少。
和许多传统的、二次电池技术相比，VRB在成本上很有竞争性，而且以前认为采用铅酸电池技术会很贵或不可能实现的一些应用，现在用VESS就可以很容易实现。因此对于现在的直流电源系统，VESS是一种很理想的替代品。 VESS电池的容量只需用油量表就可以知道，并且能量存储的成本很低，所以它在通信应用中的前景是很诱人的。另外，VESS的能量存储轻便，并且存储和使用相互独立，所以可以用在通信应用的特定场合。替代油机。通信动力系统中通常都使用柴油发电机，以便在停电时提供长时间的动力。当油机启动和预热时，通常需要一个电池来提供短时间的动力。在通信站还经常使用UPS来提供交流不间断和直流不间断电源，两者都需要一个单独的电池。一些小站口使用一个电池供应不间断的直流电源，不间断交流电源则通过逆变需得到。备用系统的油机在动力系统的投资中占了很大一部分，而且需要持续不断的机械维护以保证其可靠性。在实际应用中，油机的利用率很低，因此其单位时间的使用成本是比较高的。而基于VESS的新系统则有潜力替代动力系统中的油机，为UPS和高可靠性的直流电源提供总的、多功能的能量存储解决方案。替代太阳能电池。一些通信管理部门维护着巨大的、地理分布很广的太阳能电池供电的通信网络。太阳能供电系统的能量存储零件通常是铅酸电池，这需要的维护量很大。VE SS有潜力替代太阳能电池，减少成本，提高生产率。
在典型的通信应用中，和铅酸电池相比，VESS有许多优点；
（1）自动控制功能提供了自动保护、自动整流和系统控制界面；
（2）内部控制单元可以控制其它的系统部件；
（3）能量的存储量可以很精确地直接读出；
（4）寿长，使用5年左右的时间后，只需更换部分零部件；
（5）能量的存储量可以在任何时间添加，成本只有铅酸电池的20％，约为200 美元/kWh。