钒电池调查研究报告

1、-. z钒电池调研报告钒电池的概念及原理钒电池定义钒电池全称为全钒氧化复原液流电池Vanadium Redo* Battery，缩写为VRB，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化复原电池。钒电池的特点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。即对于一样功率输出的钒电池，可根据需求任意调整容量。非常适合大容量储能应用；输出功率由电池堆中参与反响的面积决定，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，目前美国商业化示运行的钒电池的功率已达6000kW；充放电不涉及固相反响，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

2、铅离子转化为固态氧化铅沉积在电极外表，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；电极构造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；反响速度快，可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒；理论充放电时间比为1：1(实际运行1.5-1.7：1)，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；电池堆可与电

3、解液相别离，存储于电解液中的能量可长期保存，不会因自放电损耗；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；能量的存储量可以准确地测量出来；正负极使用同一种金属离子的电解液，防止了电解液穿插污染问题，提高了电池的效率和寿命；电解液的流动性，可使电池组中各个单电池状态根本一致，可靠性高；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；构造简单，更换和维修容易，使用费用低廉，维护工作量小；可全自动封闭运行，无噪音，无污染，维护简单，运营本钱低；可以同时对系统充电和

4、放电，充放电方式可以根据不同的应用需求进展调整。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局部用不同的电压进展。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；平安性高：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；除离子膜外，材料价格廉价，来源丰富，不需要贵金属作电极催化剂，本钱低。批量化生产后本钱甚至低于铅酸电池；电解液可长期使

5、用，没有污染排放，对环境友好。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，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外表并发生电化学反响，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。这个可逆的反响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列图。液流电池原理图钒电池性能容量电池储能系统BESS以其最大功率kW和所存储的最大电能kWh作为其容量标准。对于钒电池来说，这两个指

6、标是相对独立的。根本上，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，75kWh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，储能的增加本钱主要是添加的电解液本钱，在高的kWh/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。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，当反响物被消耗时也会导致电压下降。钒电池的开路电压一般为1.55V满电1.25V完全放电，电压也会随电解液组成发

7、生轻微变化，放电时平均电压约为 1.3V-1.4V。电池的电流容量由电极的外表积决定，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。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一样，因此可以自动的维持电池

8、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。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本钱。维护钒电池的评价寿命一般超过十年，在寿命期可以进展比较少的维护，例如间隔6个月进展一次可视的巡检，每年进展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展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

9、在长期的充电过程中电解液会发生失水。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，需要进展更新或更换，电堆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。效率作为能量转换装置，在钒电池运行过程中会有一定的能量损失，在计算电池性能时有一下几局部损失需要考虑在：变压器损失；PCS损失：该局部损失同负载以及PCS设计相关，大概在 92%-96%，用于高电压下PCS或运行在较低切换频率下的GTO型逆变器可能会获得更高的

10、效率；电池损耗：电池材料以及充放电过程中极化产生的欧姆降，会导致电池的损耗，DC-DC效率还同充放电倍率，温度及使用年限相关，一般研究者认为实际DC-DC效率约为70%到85%之间；附属设施损耗：对于钒电池来讲，附属设施一般包括循环泵及空调温控系统，根据应用场合的不同，附属设施所占的功率比例也不一样，例如如果在极端的气候条件下，电池需要更多的功率用于加热或冷却系统。在考虑以上几局部损耗的情况下，钒电池的AC-AC循环效率一般会认为在60%-70%之间。钒电池的系统组件电解液钒电池的两种电解液都是由钒离子在极低pH值的硫酸溶液中组成的，钒电池中的酸性水平同铅酸电池根本相当，电池中的酸度基于两个目

11、的，一是用于提高电解液中的离子导电率，另外是用来提供正极反响中所需的氢离子。 电解液可通过以下几种工艺之一进展制备，通常情况下，将V2O5溶解在硫酸中，并在溶液中将其复原成 VO2+和 V3+；初始溶液一般为1-3mol钒离子溶解在1-2mol硫酸中，也有开发者声称可以制得在3mol硫酸中1.6mol硫酸氧钒的溶液，由于五氧化二钒在硫酸溶液中属于微溶，因此在制备电解液过程中需要较为复杂且昂贵的化学及电化学处理工艺。Celleniummol钒离子在2.0-5mol硫酸中的溶液，酸度同铅酸电池相当，pH值约为0.1到0.5之间。电解液的体积 比能量约为20Wh-30Wh/l。电极钒电池中的电极由高

12、比外表积的碳材料组成，这些材料可在较宽的电压围使用，很少有析氢析氧发生，并且在酸性介质中化学稳定性较高，本钱比较合理。碳材料的特性依赖于其加工方法及工艺。商业化钒电池大多采用由人造丝或聚丙烯晴高温分解制得的炭毡或石墨毡。经过处理的炭毡可增加外表的反响面积，而热处理可以提高炭毡的结晶度和导电性。电极 被放置在PVC框中，使用PVC主要基于其对酸的耐蚀性。钌可做为电极催化剂使用，铌可涂覆在电极上用于防止析氢。离子交换膜每片电池中都会使用离子交换膜将两个半电池隔开，交换膜在物理上将两侧的钒离子溶液隔开，防止自放电的同时，允许特定离子通过形成电流回路，有几种隔膜可以在钒电池中使用，其中最常用的为杜邦的

13、Nafion膜，该膜在燃料电池及其他电化学系统中使用；由Asahi Glass公司生产的Flemion、Selemion隔膜也被其他开发商采用，戴勒米克Daramic的隔膜也被考虑在该技术中使用。双极板双极板被用于将各单电池分隔开，同时在电路上将相邻两节电池连通，极板必须具有高导电性以及在强酸性介质中的稳定性，同时能够同电极材料之间以较低的接触电阻进展连接。大多数制造商使用特有的碳塑电极用作双极板。电力转换系统PCS电力转换系统也称逆变系统，绝大多数钒电池系统采用外购方式从专业生产厂商处选取PCS，例如：Satcon Technology为PacifiCorp在Castle Valley的工程

14、提供了逆变系统。 在钒电池系统中，大多数工程使用了低压的基于IGBT的逆变系统，该系统相比照较简单，性能较好，且能够到达95%以上的效率；在大系统高压条件下，使用基于GTO的逆变系统则可能会到达更高效率。储液罐钒电解液被存储在电堆之外的独立液罐中，储罐材料必须在低pH值的环境下具有较好的耐蚀性。液罐最好包含二次承接容器以防止液体泄漏。液罐一般采用现有的工程塑料或用于储存汽油的玻纤容器来存储电解液。电解液罐可由PVC或其他耐酸腐蚀材料涂覆玻纤组成，在Castle Valley工程中使用了标准的，现成的可用于存储工业介质的玻纤罐体，如下列图所示：图 Castle Valley工程中所使用的电解液罐

15、一般会使用双层罐壁的电解液储罐来将泄漏的风险降到最低，并在罐体上安装传感器来检测泄漏。 也有一些安装的钒电池系统，使用一组垂直的液罐来代替一个大罐，如下列图所示，为Tomamae风场所使用的储罐，这种方式的优点在于可以模块化，便于生产或设计标准化的储能系统，可在安装区域留出空间，通过增加液罐数量来增加系统容量。图 Tomamae风场工程中使用的储液罐电堆大多数制造商采用螺栓压力紧固PVC边框的方式组装电堆，电堆可进展水平组装，电流沿电堆的中心轴向流动，电解液则在循环泵的驱动下由电堆底部向上流动，并联流入电堆部，经电堆顶部出口流回电解液罐。下列图为住友电工SEI提供给VRB Power用于Cas

16、tle Valley工程的电堆，电堆根本为立方体，三维尺寸约为：1.3m长*1m宽*1.1m高。电堆部液路为并联设计，每个电堆设计为100个单电池串联，额定电压为140V，额定功率为42kW，峰值功率可达150kW。钒电池的应用领域 VRB全钒液流储能电池系统能够经济地存储并按照需求提供大规模电力，主要模式是固定方式。它是一种长寿命、低本钱、少维护、高效率的技术，支持电力与储能容量的无级扩展。VRB全钒液流储能电池系统通过存储电能实现供需的最优匹配，对于可再生能源供给商、电网企业和终端用户尤为有效。VRB全钒液流储能电池系统能够应用于电力供给价值链的各个环节，可将诸如风能、太阳能等间歇性可再生

17、能源电力转化为稳定的电力输出；偏远地区电力供给的最优化解决方式；电网固定投资的递延，以及削峰填谷的应用。VRB全钒液流储能电池系统也能够作为变电站及通信基站提供备用电源得到应用。VRB全钒液流储能电池系统对于环境友好，在所有的储能技术中对于生态影响程度最低，同时不以铅或镉等元素为主要反响物。钒电池具有功率大、容量大、效率高、本钱低、寿命长、绿色环保等一系列独特优点，适合于大规模电能储存，在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布电站、军用蓄电、交通市政、通讯基站、UPS电源等广阔领域有着极其良好的应用前景。由于全钒液流电池可以保持连续稳定、平安可靠的电力输出，用于风能、太阳能等可再生能源发电系统，解

18、决其发电不连续、不稳定特性；用于电力系统，可调节用户端负载平衡，保证智能电网稳定运行；用于电动汽车充电站，可防止电动车大电流充电对电网造成冲击；用于高耗能企业，谷电峰用，可降低生产本钱。此外，它还可应用于电信的通讯基站、国家重要部门的备用电站等。风力发电风能发电自身所固有的随机性、间歇性特征，决定了其规模化开展必然会对电网调峰和系统平安运行带来显著影响，必须要有先进的储能技术作支撑。研究说明，如果风电装机占装机总量的比例在10以，依靠传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段根本可以保证电网平安；但如果所占比例到达20甚至更高，电网的调峰能力和平安运行将面临巨大挑战。目前为了减少对电网的冲击，每

19、一台风机需要配备其功率4%的后备蓄电池。另外还需要大约相当于其功率1%的蓄电池用于紧急情况时风机保护收风叶用。电网对风电输出平稳性的要求已成为风电开展的瓶颈。随着风电的快速开展，风电与电网的矛盾越来越突出。如果需要平滑风电90以上的电力输出，需要为风电场配置20左右额定功率的储能电池；如果希望风电场还能具有削峰填谷的功能，将需要配备相当于40-50%功率的动态储能电池；如果风机离网发电，则需要更大比例的动态储能电池。风机现在使用的铅酸电池容量小、寿命短、稳定性差、维护费时费力、污染大，钒电池所具备的优点，完全可以取代现有的铅酸电池，成为风电场动态储能系统的主体。中国风电资源经初步探明10米高空

20、约10亿kW，其中陆上风电资源2.35亿kW，沿海风电资源7.5亿kW；扩展到50米高空，是20亿25亿kW。根据国家中长期能源规划，风电装机目标为2021年400万kW，2021年2000万kW。但实际上2021年底中国风电场累计装机1215万kW，当年风电新增容量625万kW；中国风能协会预计，2021年全国新增风电装机为800万kW，2021年底累计装机容量就将超过2021年的规划目标2000万kW。预计2021年中国风电装时机突破1亿kW，将占到全国发电量的10%左右。风电产业的快速开展，特别是我国的多数风电场属于“大规模集中开发、远距离输送，对电网的运行和控制提出了严峻挑战。大容量储

21、能产品成为解决电网与风电之间矛盾的关键因素。即使按照风电调控最低要求计算，5%的风电储能比例，2021年储能电池的需求就将到达100万kW，2021年储能电池的需求将到达500万kW；如果需要平滑90以上的风电输出，储能电池的需求还要增加3倍以上。光伏发电2021年全球太阳能安装总量已累计达1500kW，当年新装容量到达了550万kW以上，其中80%以上位于欧洲。2021年全球新安装的光伏发电系统将到达400万kW左右，大多数都在德国。德国将安装150万kW，意大利为58万kW，还有30-40万kW将来自西班牙、加州和日本。2021年中国太阳能电池产量到达约260万kW，占世界产量的32.9%

22、，但当年中国的光伏电池安装量只有4万kW，预计中国2021年太阳能发电装机容量方案到达2000万kW。光伏发电依赖于太，目前大型光伏发电场主要采用的是并网发电，对电网的调峰能力有比较高的要求，目前我国电力系统煤电比例较高，核电和热电机组不能参与调峰，水电、燃气发电具有比较好的调峰性能，但所占比例不高，如果光伏发电占的比例大了，会给电网调控造成非常大的困难。光伏发电系统中储能电池的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。光伏发电对储能电池的根本要：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度围宽；g.价格低廉。目前与光伏

23、发电相配套的储能主要是铅酸电池，由于功率、容量、寿命都不能满足光伏发电配套需求，钒电池将作为未来光伏发电储能电池的首选。电网调峰电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。由于抽水蓄能电站需建上、下两个水库，受地理条件限制较大，在平原地区不容易建立，而且占地面积大，维护本钱高。为应对城市尖峰负荷，电力系统每年都要新增大量投资用于电网和电源后备容量建立，但利用率却非常低。以为例，20042006年间，为解决全市每年只有183.25小时的尖峰负荷，仅对电网侧的投资每年就超过200亿元，而为此形成的输配电能力的年平均利用率不到2。采用钒电池取代抽水蓄能电站，大容量储能电池应对城市尖峰负荷，不受地理条件限制

24、，选址自由，占地少，维护本钱低。还可提高能源利用效率，为国家节约巨额投资，其节地、节能、减排的效果是其他调峰措施无法比较的。通讯基站通信基站和通信机房需要蓄电池作为后备电源，且时间通常不能少于10小时。对通讯运营商来讲，平安稳定可靠性和使用寿命是最重要的，在这一领域，钒电池有着铅酸电池无法比较的先天优势。钒电池和铅酸电池相比，在网络通信应用中优势明显：寿命长，维护简单，能量存储稳定、控制准确、自放电少，可便捷调整能量的存储量，总体使用本钱低。钒电池在通信应用中能量存储本钱低的优势明显。通信网络中的基站动力系统常使用柴油发电机，在停电时提供长时间动力。柴油机在备用动力系统投资中占了很大一局部，而

25、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，柴油机的利用率很低，因此其单位时间的使用本钱比较高；系统中经常使用的铅酸电池由于自放电的原因，也需要经常维护。钒电池完全可以替代动力系统中的铅酸电池和柴油机的动力组合，提供高可靠性的直流电源的能量存储解决方案。钒电池还可以很好地与网络通信领域使用的地理分布很广、数量众多的太阳能电池进展很好的匹配，替代目前太阳能供电系统常使用的铅酸电池，降低维护量，减少本钱，提高生产率。UPS电源中国经济的持续高速开展带来的UPS用户需求分散化，使得更多的行业和更多的企业对UPS产生了持续的需求。钒电池相对于铅酸电池，在功率、平安稳定性、使用寿命上都有着绝对

26、优势。钒电池作为一个单一的能源存储元件可以针对不同需求同时提供多种不同的电压，相对于传统串联型铅酸或镍镉电池，这种优越性是显著的。分布式电站大型电网自身的缺陷，难以保障电力供给的质量、效率、平安可靠性要求，对于重要单位和企业，往往需要双电源甚至多电源作为备份和保障。分布式电站可以减少或防止由于电网故障或各种以外时间造成的断电。医院、指挥控制中心、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精细制造工业等领域是分布式电站开展的重点领域，钒电池可以在分布式电站的开展中发挥重要作用。军用蓄电钒电池还可以在军事基地、指挥中心等军事部门的军用蓄电发挥重要作用。国外应用案例美

27、国犹他州Castle Valley工程工程概况Castle Valley工程由PacifiCorp负责，PacifiCorp为一个电力运营商，主要效劳在西部六个州。犹他州的Castle Valley位于其效劳区域，相对较为偏远的一个区域。由于该区域使用的25KV电缆总长度为209英里，影响了其电力质量及可靠性，经常会接到投诉，另外，新增的大量负载影响了现有用户的电压稳定性。如果在该区域使用传统的解决方法来增加容量或改善效劳质量，则会使本钱大量增加，主要原因是地区比较偏远，因此PacifiCorp考虑使用其他方法来实现。PacifiCorp选择使用钒电池来解决该问题。规格为250kW*8h，电池

28、系统于2003年交付，并于2004年开场运行，经过2004年的夏季用电顶峰时期运行，成功验证了其调峰功能以及调压功能。2004年9月，对PCS系统进展了一次升级，增大其功率级别，2005年1月，对电堆进展了更换，以获得更高的功率及更好的效率。Castle Valley工程设计示意图上图为 Castle Valley 工程的设计示意图，系统占地约为 3800平方英尺353m2，设施包括空调系统HVAC以保证5-40的优化运行温度围。该工程运行期间曾对电堆及逆变器进展了更换，电堆进展更换的主要原因是为了获得更高的电堆效率并降低泄漏风险，在进展电堆更换后，系统的DC-DC效率为78%，有所改善；而对

29、逆变器的更换主要是由于其输出功率达不到设计要求，将原有的250kW逆变器更换为350kW逆变器。系统效率分析该工程为钒电池相对早期的示工程，不能认为钒电池技术的典型代表，但从其结果可以看出环境条件以及系统设计会怎样影响系统效率，同时，可以通过什么手段对效率进展提高。Castle Valley工程的钒电池是在每天确定的时间段进展充电和放电，在秋冬季节的用电顶峰期，电池的使用方案会受到负载情况影响。Castle Valley 工程中钒电池在第一年实际运行的AC-AC效率，效率大概在34%-55%之间，总体平均效率约为45%。其中，11 月份较低的能量效率是由于电池充电完成后没有马上进展放电，自放电

30、导致容量有一定损失。 VRB Power 为提高系统效率，对效率损耗进展了深入的分析，分析说明，损失主要来源于三个方面：系统自身负载，电池充放电损耗以及PCS损耗，系统负载在运行损耗中占据了很大比例，主要包含冬天供热，夏天制冷以及泵损耗等。主要原因是该工程位于犹他沙漠，气候相比照较极端，冬天需要供热，夏天需要制冷，工程建立并没有考虑环境影响，顶部为开放式，因此夏天外部环境温度到达55度时，即使电池没有运行，也需要很大的制冷量对电解液进展了冷却。但VRB Power相信通过合理的建筑设计以及绝热设计，可以降低这一局部损耗，这方面的改良已经在King Island工程以及道工程中得到了印证。电池的

31、效率在一年约为63%-77%之间，在年末时VRB Power将电解液钒离子的浓度由1.6M提高至1.7M来改善系统效率，VRB Power希望通过这一措施来将AC-AC效率提高3-4个百分点，另外，通过调节负载以及增加电堆来降低电流密度可以将电池能量效率提高11%左右，VRB希望通过一系列措施包括降低PCS损耗等，使系统的AC-AC效率在未来可超过70%。澳大利亚King Island工程King Island 是位于塔斯马尼亚的一个小岛，共1500人，无大型工业设施，白天总用电需求约为3-3.5MW，晚上约为1MW。 传统电能由柴油发电机提供，但较高的运油本钱促使当地政府考虑其他代替措施包括

32、风力发电等。2003年，澳大利亚政府配备了两台850kW的Vestas风机以及200KW的钒电池系统Pinnacle VRB。钒电池系统由6台SEI生产的电堆组成，要求可在200kW 额定功率下稳定运行4小时，400kW输出功率时可支撑超过10s。工程在运行期间曾发生堆损坏现象，其中包括电堆的端电极所在的双极板泄漏，*03-001电堆的C子堆中出现裂纹导致的泄漏以及*03-009电堆的B子堆的隔膜可能被损坏。住友电工与VRB Power等相关人员就此进展了会谈和讨论。端电极所在的双极板泄漏应该是粘接处的开裂导致的，开裂的可能原因主要则是不同材料之间热膨胀 系统相差较大以及粘接处的应力集中等。在*03-001号C子堆中边框的裂纹，认为可能的原因包括边框生产质量以及电堆在运输过程中受到不当处理而导致损坏等。测试的结果说明*003-009的库伦效率较低，为92.5%，经过自放电测试发现应该是B子堆存在问题，可能是部隔膜遭到了破坏，住友电工对此子堆进展了更换。效益分析世界面临着一方面是能源的短缺、一方面又是能