国际电力储能技术分析——液流电池【钜大锂电】

（一）技术原理

液流电池和通常以固体作电极的普通蓄电池不同，液流电池的活性物质是具有流动性的液体电解质溶液，由于大量的电解质溶液可以存储在外部并通过泵输送到电池内反应，液流电池的规模相有关普通蓄电池可以大幅提高。电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开，在充、放电过程中，电解液中的活性物质离子在惰性电极表面发生价态的变化。液流电池具有以下特点：（1）额定功率和额定容量是独立的，功率大小取决于电池堆，容量大小取决于电解液。可通过新增电解液的量或提高电解质的浓度，达到新增电池容量的目的；（2）充放电期间电池只发生液相反应，不发生普通电池的复杂的固相变化，因而电化学极化较小；（3）电池的理论保存期无限，储存寿命长。因为只有电池在使用时电解液才是循环的，电池不用时电解液分别在两个不同的储罐中密封存放，没有普通电池常存在的自放电及电解液变质问题。但电池长期使用后，电池隔膜电阻有所增大，隔膜的离子选择性有所降低，这些对电池的充放电及电池性能有不良影响；（4）能100%深度放电但不会损坏电池；（5）电池结构简单，材料价格相对便宜，更换和维修费用低；（6）通过更换荷电的电解液，可实现瞬间再充电；（7）电池工作时正负极活性物质电解液是循环流动的，因而浓差极化很小。

国际上液流电池代表品种重要有4种，即铁铬电池、多硫化钠/溴电池、锌-溴体系及全钒电池。其中，全钒氧化还原液流电池，简称钒电池，是目前发展最好的液流电池。其工作原理是，通过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。钒氧化还原电池所有的反应物都在溶液中，其储能容量与输出功率无关。因此钒电池可以很容易地实现储能容量的经济扩容。钒电池可以通过更换电池堆进行重复使用，电解液和储能罐也能重复使用。钒电池的充放电效率约为75%，电池单元的输出响应很快，可以在几毫秒内完成从0功率运行到满功率输出，由于系统中其他设备的限制，钒电池系统的输出响应时间大约20ms。液流电池具有能量转换效率高、循环寿命长、蓄电容量大、选址自由、可深度放电、系统设计灵活、安全环保、维护费用低等优点。钒电池作为储能电源重要应用在电厂（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远地区储能系统，不间断电源或应急电源系统。

（二）关键技术

全钒液流电池的关键技术在于关键材料制备与成本控制方面，包括高稳定性电解液、高选择性低成本离子交换膜、高反应活性电极等，另一方面关键材料的批量化制备技术，也是液流电池的产业化必须的关键基础技术。

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（三）应用现状

钒电池早期由澳大利亚的新南威尔士大学进行了许多实用化的开发工作。1998年，知识产权出售给了澳大利亚的PinnacleVRB公司，2001年PinnacleVRB公司被加拿大VRBPowerSystem公司收购。住友电气（SEI）也是一个钒电池的重要开发商和供应商。2005年日本住友电工公司在日本北海道苫前町建立了4MW的全钒液流电池储能系统用于与36MW风力发电站匹配，平滑风电输出，这是目前国际上最大的一套全钒液流储能电池工程示范系统。据住友电工介绍，三年的应用示范结果表明，液流储能电池技术是最适合风电调峰的储能技术。2009年十一月，美国政府资助Painesville电力公司与俄亥俄州市电力管理局合作，在一个32MW的燃煤发电厂进行1MW/8MWh的液流储能电池示范项目，该项目是美国首个MW级全钒液流储能电池项目。

欧洲各国积极开展液流电池技术的研究和应用示范。西班牙REDES2025项目，开发智能电网用1MW/2MWh液流储能电池系统。德国Fraunhofer研究机构研究了用于离网可再生能源发电储能用1kW~10kW级液流储能电池系统。奥地利Cellstrom公司研制的10kw/100kWh全钒液流储能电池系统用于新能源电动汽车。

我国从20世纪80年代末开始液流储能系统的基础研究工作。我国地质大学、北京大学、东北大学、中南大学、清华大学等均开展了全钒液流储能电池的研究工作。大连化学物理研究所自2002年开始在关键材料、系统集成、测试方法、工程化开发及应用示范等方面开展了系统深入的研究工作，建成了100kW/200kWh全钒液流储能电池示范系统，并于2010年开发出国内首套260kW全钒液流储能电池系统。北京普能世纪科技有限公司收购了加拿大VRB公司，正在向国家电网公司电力科学研究院供应500kW全钒液流电池示范系统。

（四）发展趋势