钒电池的工作原理及优缺点

钒电池市场前景怎么样？这是很多人都很关心的问题。钒电池全称为全钒氧化还原液流电池，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。与其他储能技术相比，全钒液流电池储能技术因其使用寿命长、规模大、安全可靠等突出的优势，成为规模储能的首选技术之一。下面小编就对钒电池工作原理及优缺点做一下介绍，一起来看看吧！

钒电池市场前景怎么样？

湖北省科技厅日前组织专家组在武汉召开了由武汉理工大学承担的国家国际科技合作重点专项“高性能纳米线钒系锂离子动力电池联合研发”项目验收会。

“高性能纳米线钒系锂离子动力电池联合研发”该项目面向清洁高效能源的可持续发展，通过与哈佛大学开展合作，建成了单次百公斤级纳米线钒系正极材料中试线和自动化电子生产线，完成了纳米线钒系动力电池的装配和装车实验，进行了电动汽车示范运行，对我国发展清洁高效能源系统产生了积极影响。

业内人士指出，此项目的成功验收是钒电池在电动汽车领域的重大突破，意味着钒电池技术距离产业化正越来越近，对钒储能电池的发展具有长远的意义。钒电池之所以引起社会各界以及资本市场的关注，与其将对锂电池带来的颠覆性影响有着密切的关系，从续航、充电时间与成本上均被誉为“完美电池”。相关研究人员也表示，钒电池的研发和推广应用，有望成为替代锂电创造出历史性新蓝海产业。

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。按照我国《新能源汽车产业发展规划》和近年来电池行业数据的测算，钒电池所对应的市场规模将达到万亿元级别，行业空间发展潜力不容小觑。此外，钒资源的利用思路对于改变目前钢铁企业产能过剩危机也具有重要的革命意义。

市场人士表示，近年来任何一个新兴高科技领域的发展，都刺激二级市场相关概念股走出了一波独立上涨行情，产生了诸多牛股，钒电池技术研发的重大突破，或将使得钒电池概念股效仿锂电池板块在A股市场掀起新的波澜，而在钒电池还未进入大规模商业化应用阶段前，拥有钒资源较多的上游原材料公司将率先受益。

钒电池的工作原理

钒电池（VRB）是一种可以流动的电池，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（VanadiumEnergyStorageSystem，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液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电池由两个电解液池和一层层的电池单元组成。电解液池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。

钒电池在实际应用中的优点

1、电堆作为发生反应的场所与存放电解液的储罐分开，从根本上克服了传统电池的自放电现象。功率只取决于电堆大小，容量只取决于电解液储量和浓度，设计非常灵活；当功率一定时，要增加储能容量，只需要增大电解液储罐容积或提高电解液体积或浓度即可，而不需改变电堆大小；可通过更换或添加充电状态的电解液实现“瞬间充电”的目的。可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站，适应性很强。

2、充、放电性能好，可以进行大功率的充电和放电，也可以允许浮充和深度放电。对铅酸蓄电池来说，放电电流越大，电池的寿命越短；放电深度越深，电池的寿命也越短。而钒电池放电深度即使达到100%，也不会对电池造成影响。而且钒电池不易发生短路，[1]这就避免了因短路而引起的爆炸等安全问题。

3、可充放电次数极大，理论上寿命是无数次。充放电时间比为1：1，而铅酸电池是4：1。而且钒电池充、放切换响应速度快，小于20毫秒，非常有利于均衡供电。

4、能量效率高，直流对直流能量效率可以达到80%以上，而铅酸电池只有60%左右。钒电池组中的各个单位电池状态基本一致，维护简单方便。

5、选址自由度大，占地少，系统可全自动封闭运行，不会产生酸雾，没有酸腐蚀。电解液可反复利用，无排放，维护简单，操作成本低。是一种绿色环保储能技术。因此对于可再生能源发电，钒电池是铅酸电池理想的替代品。

钒电池市场前景怎么样？钒电池的工作原理及优缺点

钒电池的优缺点

1、钒电池优点

与其它化学电源相比，钒电池具有明显的优越性，主要优点如下：

（1）功率大：通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率，美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6兆瓦。

（2）容量大：通过任意增加电解液的体积，即可任意增加钒电池的电量，可达吉瓦时以上；通过提高电解液的浓度，即可成倍增加钒电池的电量。

（3）效率高：由于钒电池的电极催化活性高，且正、负极活性物质分别存储在正、负极电解液储槽中，避免了正、负极活性物质的自放电消耗，钒电池的充放电能量转换效率高达75%以上，远高于铅酸电池的45%。

（4）寿命长：由于钒电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中，充放电时无其它电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池，电池使用寿命长。加拿大VRBPowerSystems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，远远高于固定型铅酸电池的1000次。

（5）响应速度快：钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒。

（6）可瞬间充电：通过更换电解液可实现钒电池瞬间充电。

（7）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。

（8）成本低：除离子膜外，钒电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，不需要贵金属作电极催化剂，成本低。

（9）钒电池选址自由度大，可全自动封闭运行，无污染。

钒电池市场前景怎么样？钒电池的工作原理及优缺点

2、钒电池缺陷

钒电池存在的技术问题主要有两个，第一，钒电池正极液中的五价钒在静置或温度高于45摄氏度的情况下易析出五氧化二钒沉淀，析出的沉淀堵塞流道，包覆碳毡纤维，恶化电堆性能，直至电堆报废，而电堆在长时间运行过程中电解液温度很容易超过45摄氏度。第二，石墨极板要被正极液刻蚀，如果用户操作得当，石墨板能使用两年，如果用户操作不当，一次充电就能让石墨板完全刻蚀，电堆只能报废。在正常使用情况下，每隔两个月就要由专业人士进行一次维护，这种高频次的维护费钱、费力。

另外，钒电池成本过高。以一个五千瓦电池为例，电解液（一立方，1.8mol/L）17万、控制系统10万、隔膜7万、板框4万、石墨板1.5万、泵0.7万、碳毡0.4万，总共40.6万，这只是主要材料成本，没计入次要材料成本和人力成本。因此，一个五千瓦钒电池的成本在四十万以上，高出相同规格铅酸电池的成本数倍。

从环保的角度来说，钒电池压根就不环保，配制电解液用到的原料、正极沉淀以及泄漏的正极液经风干后形成的薄层都有一样相同东西，那就是五氧化二钒，它是一种剧毒化学品。

因此，钒电池还有很多问题需要解决，让人无法乐观的是，钒电池在国内被研究十多年来还没有哪家科研机构取得了突破。

钒电池具有特殊的电池结构，具有可深度大电流密度放电、充电迅速、比能量高、价格低廉等特点，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。