钒电池调研报告

。钒电池考察报告1.钒电池的概念和原理1.1。钒电池的定义钒电池被称为全钒氧化还原液流电池(VRB)，是一种活性物质处于循环液态的氧化还原液流电池。1.2。钒电池的特性a)能量储存在电解液中。增加电解液储罐的容积或增加电解液的浓度可以增加电池的容量。也就是说，对于相同功率输出的钒电池，容量可以根据需要任意调整。它非常适合大容量储能应用。b)输出功率由参与反应的电池组的面积决定，并且可以通过增加或减少单个电池和不同电池组的串联和并联来调节以满足不同的功率要求。目前，钒电池在美国商业示范运行中的功率已达到6000千瓦；c)充放电不涉及固相反应，电解液的理论使用寿命是无限的，可以长期使用。在铅酸电池充电过程中，溶液中的铅离子转化为固体氧化铅并沉积在电极表面。在放电过程中，固体氧化铅电极重新溶解到液相中，充放电过程伴随着极板材料的液相/固相转化。为了保证固体氧化铅电极晶型的稳定性，需要严格控制电池的充放电程度。电极结构的改变导致电化学性能的逐渐恶化，这在原则上决定了有限的充放电周期和电池寿命。d)反应速度快，可瞬间启动。运行过程中只需0.02秒切换充放电状态，响应速度为1毫秒；e)理论充放电时间比为1: 1(实际运行为1.5-1.7: 1)，支持频繁大电流充放电。深度充电和放电对电池寿命影响很小。电池的正负活性物质在充放电状态下均为液相，避免了镍氢电池、锂离子电池等蓄电池电极上生长树枝状晶体导致隔膜击穿造成电池短路的危险。f)电池堆可以与电解液分离，并且存储在电解液中的能量可以长期存储而不会由于自放电而损失；g)高能量循环效率，充放电能量转换效率超过75%，远高于铅酸电池的45%。充放电过程中不消耗电解液，反复充放电不影响电池容量；h)储存的能量可以精确测量；I)正负极使用相同金属离子的电解液，避免了电解液的交叉污染问题，提高了电池的效率和使用寿命；j)电解液的流动性可以保证电池组中的每个单体电池具有基本相同的状态和高可靠性；k)可以通过添加电解液或更换电解液来增加系统运行时间。通过更换电解液，可以实现瞬间充电，类似于汽车加油。l)结构简单，易于更换和维护，使用成本低，维护工作量小；m)全自动封闭运行，无噪音、无污染、维护简单、运行成本低；n)系统可同时充放电，充放电模式可根据不同的应用需求进行调整。可以同时有一个或多个电输入，也可以输出多个电压。例如，串联电池组的电压可以用于放电，而充电可以在电池组的另一部分中用不同的电压来执行。o)系统使用寿命长，充放电循环寿命可超过10000次，远高于固定铅酸电池的1000次。目前，加拿大VRB电力系统商业示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行9年多，充放电循环寿命超过18000次。p)高安全性：钒电池没有潜在的爆炸或火灾危险，即使正极和负极全钒氧化还原液流电池是一种新型储能和高效转换装置。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。电解液由外部泵泵入电池堆体，在不同液体储罐和半电池的闭合回路中循环。离子交换膜被用作电池组的隔板。电解质溶液平行流过电极表面，并发生电化学反应。储存在溶液中的化学能通过双电极板收集和传导电流转化为电能。这种可逆反应过程使钒电池能够成功地充电、放电和再充电。钒电池的工作原理如下图所示。液流电池示意图1.4。钒电池性能容量电池储能系统(BESS)以其最大功率(kW)和存储最大功率(kWh)作为其容量标准。对于钒电池，这两个指标是相对独立的。基本上，反应器和PCS系统决定了系统的功率，电解质的浓度和体积决定了系统可以储存的电量。一般情况下，钒电池的实际能量密度约为20-30瓦时/升，75瓦时的容量需要约2500-4000升的电解液，这些电解液平均放置在正负液槽中。对于具有给定功率水平的系统，能量存储的增加成本主要是添加电解质的成本。在高千瓦时/千瓦比下，钒电池可以得到更好的应用。一般来说，设计储能时间约为4-10小时。1.4.2电源钒电池的功率由电池在给定电流密度下的电压决定。对于任何电化学电池，当反应物被消耗时，放电电流的增加将导致电压降和电压降。钒电池的开路电压一般为1.55伏(完全充电)-1.25伏(完全放电)，电压也会随着电解液成分的变化而略有变化。放电期间的平均电压约为1.3V-1.4V。电池的电流容量由电极的表面积决定。面积越大，额定电流越高。大多数钒电池的最大电流密度约为100毫安/平方厘米。当电流过大时，欧姆降产生的热量可能会损坏电池组件。1.4.3。过度充电和过度放电从电池化学的角度来看，过充电会对钒电池的电解质和电池组件产生不利影响，因为当过充电超过一定电压时，会发生水的电解，并且会发生氢和氧的析出。大多数电池的设计都是为了将产生的气体快速排放到大气中，从而将电池中累积的风险降至最低。与其他电池相比，钒电池在过充效果上仍有一定优势。由于每个电池的电解液处于相同的荷电状态，所以单个电池的电压与电池组的平均电压相同，因此可以自动维持电池平衡。大多数钒电池包括一个控制系统，该系统监控参考电池的电位，以控制整个电池不过度充电。钒电池具有良好的过放电性能。空间要求钒电池更适合没有太多空间限制的应用。许多最近的设计致力于更有效地利用空间，从而降低土地和基础设施成本。1.4.5维护钒电池的评估寿命一般在10年以上，在寿命期内可进行的维护相对较少，如每隔6个月进行一次外观检查，每年进行一次外部清洁和螺栓扭矩检查。随着技术的成熟，定期检查的时间间隔可以延长。理论上，钒电解液不会老化或变质。然而，在早期的研究中，建议在一段时间后重新平衡正负电解质的量，以消除水通过隔膜迁移的影响。然而，最近的研究认为，更有必要通过补充水来取代平衡液位，因为电解质在长期充电过程中会失去水分。寿命电池组是决定钒电池寿命的关键部件。它的性能会随着时间的推移而下降，需要更新或更换。电池组中限制寿命的部件是隔膜，它会老化或破裂。超额收费作为一种能量转换装置，钒电池在运行过程中会有一定的能量损失，在计算电池性能时需要考虑以下几个方面的损失：1)变压器损耗；2) PCS损耗：这部分损耗与负载和PCS设计有关，约为92%-96%。对于工作在较低开关频率的高压PCS或GTO逆变器，可以获得较高的效率。3)电池损耗：电池材料和充放电过程中极化引起的欧姆降会导致电池损耗。DC-DC效率还与充放电速率、温度和使用寿命有关。一般研究人员认为，实际的DC-DC效率在70%到85%之间。4)附属设施损失：对于钒电池，附属设施一般包括循环泵和空调(温控)系统。根据应用情况，附属设施的功率比例也不同。例如，在极端天气条件下，如果电池需要更多的电力来加热或冷却系统。考虑到上述损失，钒电池的交流-交流循环效率通常被认为在60%和70%之间。2.钒电池的系统组件2.1电解质钒电池的两种电解液是由硫酸溶液中的钒离子组成的，其pH值极低。钒电池的酸度与铅酸蓄电池的酸度基本相同。电池的酸性基于两个目的：一个是提高电解液中的离子导电性，另一个是提供正极反应所需的氢离子。电解液可以通过以下方法之一制备。通常，V2O5溶解在硫酸中，并在溶液中还原成VO2和V3。初始溶液通常是溶于1-2摩尔硫酸中的1-3摩尔钒离子。一些开发者声称可以制备1.6摩尔硫酸氧钒在3摩尔硫酸中的溶液。由于五氧化二钒微溶于硫酸溶液，在制备电解质时需要复杂而昂贵的化学和电化学处理过程。Cellenium声称它可以以相对简单和廉价的方式生产钒电池电解液。将五氧化二钒粉末、硫酸和水连续注入通过电解池循环的钒电解液中。据说这种方法生产电解质相对便宜和方便，可以在线制备，并且节省运输和加工成本。随着温度的降低，电解液将变得粘稠，液体流速将降低，从而降低系统功率，尤其是在高荷电状态和低荷电状态下。在另一种极端情况下，如果电解液温度长时间超过40度，电解液中会有五氧化二钒沉淀的危险。因此，电解质的推荐工作温度范围为0至40度。典型的电解质是1.0-2.4摩尔钒离子在2.0-5摩尔硫酸中的溶液，其酸度相当于铅酸电池的酸度，其酸碱度约为0.1-0.5。电解液的体积比能约为20瓦时-30瓦时/升。2.2。电极钒电池的电极由高比表面积的碳材料组成。这些材料可以在宽电压范围内使用，很少发生析氢和析氧，并且在酸性介质中具有高的化学稳定性和合理的成本。碳材料的特性取决于它们的加工方法和工艺。大多数商用钒电池使用由人造纤维或聚丙烯精细热解制成的碳毡或石墨毡。处理后的碳毡可以增加表面反应面积，而热处理可以提高碳毡的结晶度和导电性。电极放置在聚氯乙烯框架中，聚氯乙烯主要是基于其耐酸腐蚀性而使用的。钌可用作电极催化剂，铌可涂覆在电极上以避免析氢。2.3。离子交换膜每个细胞中使用离子交换膜来分离两个半细胞。交换膜物理分离两侧的钒离子溶液，以防止自放电。同时，允许特定的离子通过，形成电流回路。钒电池中可以使用几种膜。最常用的膜是杜邦公司的Nafion膜，用于燃料电池和其他电化学系统。旭化成玻璃生产的弗莱明和塞莱米安隔膜也被其他开发商采用，达美克隔膜也被考虑用于该技术。2.4。双极板双极板用于分隔单个电池，并连接电路上的两个相邻电池。这些板必须在强酸性介质中具有高导电性和稳定性，并且可以与低接触电阻的电极材料连接。大多数制造商使用特殊的碳塑料电极作为双极板。2.5。电力转换系统功率转换系统也称为逆变器系统。绝大多数钒电池系统使用外包从专业制造商那里选择个人电脑。例如，卫星技术公司为太平洋公司在城堡谷的项目提供逆变器系统。在钒电池系统中，大多数项目采用基于IGBT的低压逆变系统，这种系统相对简单，性能良好，可以达到95%以上的效率。在大系统高电压条件下，采用基于GTO的逆变系统可以达到更高的效率。2.6。蓄水池钒电解液储存在电池堆外的独立槽中。储罐材料必须在低酸碱度环境中具有良好的耐腐蚀性。液体罐优选包含第二接收容器以防止液体泄漏。液体罐通常使用现有的工程塑料或玻璃纤维容器来储存汽油以储存电解液。电解槽可由聚氯乙烯或其他涂有玻璃纤维的耐酸腐蚀材料组成。可用于储存工业介质的标准现成玻璃纤维罐用于城堡山谷项目，如下图所示：照片电解质槽用于城堡峡谷项目一般来说，双壁电解槽将被用于最小化泄漏的风险，并且传感器将被安装在电解槽上以检测泄漏。也有一些已安装的钒电池系统，它们使用一组垂直的液体罐而不是一个大罐。如下图所示，托马美风电场使用的储罐具有模块化的优点，便于标准化储能系统的生产或设计，在安装区域留有空间，并通过增加液体储罐的数量来增加系统容量。照片：托马美风电场项目中使用的水库2.7。反应堆大多数制造商使用螺栓压力来紧固聚氯乙烯框架，以组装电池堆。堆叠可以水平组装。电流沿着电池组的中心轴向流动。电解液在循环泵的驱动下从电池组底部向上流动，平行流入电池组，并通过电池组顶部的出口流回电解液罐。下图显示了住友电气公司(SEI)为VRB电力公司城堡谷项目提供的电池组。该叠层基本上是立方体，三维尺寸约为1.3米(长)*1米(宽)* 1.1米(高)。电池组的内部流体回路是并行设计的。每个电池组由100个单体电池串联而成，额定电压为140伏，额定功率为42千瓦，峰值功率为150千瓦。3.钒电池的应用领域VRB全钒氧化还原液流储能电池系统可以根据需要经济地储存和提供大规模电力，主要模式为固定模式。它是一种长寿命、低成本、低维护、高效率的技术，支持功率和能量存储容量的无级扩展。VRB全钒氧化还原液流储能电池系统通过储存电能实现供需的最佳匹配，对可再生能源供应商、电网企业和终端用户尤为有效。VRB全钒氧化还原液流储能电池系统可应用于供电价值链的各个环节，将风能、太阳能等间歇性可再生能源转化为稳定的电能输出；边远地区供电的最优方案；电网递延固定投资及削峰填谷应用。VRB全钒液流储能电池系统也可作为变电站和通信基站的备用电源。VRB全钒氧化还原液流储能电池系统对环境友好，在所有储能技术中生态影响最小。同时，它不使用铅或镉等元素作为主要反应物。钒电池具有高功率、大容量、高效率、低成本、长寿命、环保等一系列独特优势。适用于大规模电能存储，在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布式电站、军事储能、交通管理、通信基站、不间断电源等广阔领域有着非常好的应用前景。由于全钒氧化还原液流电池能够保持连续、稳定、安全、可靠的功率输出，因此可将其应用于风能、太阳能等可再生能源发电