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從這里讀懂全釩液流電池

2017-09-30 15:48 [材料] 來源于:材料人網
導讀:從這里讀懂全釩液流電池...
最近,全釩液流電池似乎在網上在又火了一陣,尤其是國內在宣傳在全釩液流電池領域技術領先,吸引了不少人的目光。不過,跟鋰離子電池和燃料電池相比,大眾對這個家伙還是很陌生的。下面我們新能源學習小組就給大家叨叨它是個啥玩意。
 
首先,我們要解決什么是液流電池。所謂液流電池,又叫氧化還原液流蓄電系統,最早可以追溯到1974年受NASA資助的項目。跟蓄能電池的老前輩鉛蓄電池比起來,液流電池還是個年輕后生。
 
我們通常了解的蓄電池是有陰極陽極,活性物質被包容其中。而液流電池的活性物質以液態形式存在的,儲存在兩大儲液罐中 ,各由一個泵使溶液流動,在離子交換膜兩側的電極上分別發生還原和氧化反應。大致原理示意圖就如下圖。
 

從這個介紹,你或許就能明白我們日常生活中好像見不到全釩液流電池:一方面技術上不太成熟,另一方面不適用于普通3C產品供能設備。
 
那它用在何處呢?不著急,我們先了解全釩液流電池再說!
 
結構與工作原理
 
釩電池結構與簡單工作原理主要如下圖所示。其包括正負兩極的電解液罐、水泵以及中間的電堆。電堆中包括端片(絕緣框架)、集流體(主要為銅)、石墨片、碳/石墨氈電極及離子交換膜。其中電極材料和離子交換膜是兩個最重要的部分。
 
工作時,正負兩極的電解液罐分別含有V4+、V5+和V2+、V3+的水溶液。外接泵將兩極的電解液壓入電池堆體內,在半電池和儲液罐循環流動,中間加上隔膜。當外加電壓時,利用電解液流經正負電極表面發生的氧化還原反應儲能。
 
圖1 釩電池結構原理圖
 
 
電解液
 
全釩,顧名思義,其電解液均為含有釩離子的溶液。電解液的制備方法主要有三種:物理溶液法,化學還原法及電解法。
 
物理溶液法主要將高純VOSO4溶解于H2SO4中。在早期的電解液制備研究中主要利用這種方法,但VOSO4價格昂貴,不利于大規模使用。
 
化學還原法是利用還原劑和高價的釩氧化物或釩酸鹽發生氧化還原反應來制備電解液。該方法操作簡單,反應速率快,制備時間短。但固體難于溶液,不能完全反應。
 
電解法廣泛使用于規模化生產,主要利用加直流電流的方法讓V2O5發生氧化還原反應。該方法操作簡單,獲得電解液純度高,是大規模制備高釩離子電解液的主要途徑。
 
常規的溶液硫酸常與釩離子形成長鏈狀化合物,影響其穩定性,故需要對電解質優化,常用的方法有加入添加劑和更換新體系。
 
電極
 
電極材料是釩電池至關重要的一部分,對其進行的研究也是最深入的。現階段,電極材料分為金屬類、碳素類和復合型電極。
 
金屬材料導電性好,機械強度高,最開始受研究者們的關注,主要包括金、鉑、鈀、鉛、鈦及氧化銥等。但其成本偏高且易鈍化,不適于大規模生產,故而碳材料越來越成為研究的重點。碳 素類電極材料主要包括石墨、石墨氈 、玻碳 、碳布和碳紙。同時,電極材料另一個研究重點是將石墨氈與塑料電極板形成的一體化復合電極。
 
自1989年以來進行的對電極材料的研究如圖2所示。
 

圖2 釩電池電極材料的研究歷史進展
 
離子交換膜
 
離子交換膜主要用于防止正負極短路且保持離子濃度平衡,目前研究中主要集中于含氟膜和非含氟膜的研究。
 
全氟磺酸膜是最常用的含氟膜,但其合成步驟繁瑣,價格昂貴,且釩離子滲透率和透水率較高通過全氟乙烯接枝可適當提高其性能。
 
非含氟膜上,如磺化聚芳醚酮,其釩離子透過率較低,故組成的電池可實現較高的庫倫效率和能量效率。
 
介紹完釩電池的基本單元之后,我們再來看看它與其他蓄電池相比的“神通”之處在哪!
 
首先,釩電池的功能非常靈活,功率和容量可以獨立設計。輸出功率取決于電堆,可通過改變單電池數量或電極的表面積來調節。而容量主要取決于釩離子的量,可通過調節電解液的體積和釩離子濃度實現。
 
其次,環境適應能力較高電池性能受溫度影響很小,當溫度恢復時,電池容量也可以完全恢復。該系統可全自動封閉工作,不會產生酸霧及廢舊電解液。
 
第三,理論上安全性高。因其活性物質存在于電解液中,不會引起物象變化,可深度放電而不影響電池壽命。另外,其反應過程不產生H2等氣體,無爆炸危險,也不會有短路的問題。
 
第四,壽命長。深放電循環性能強,過放電后再充電,容量很容易恢復,而且超深度放電不引起電池的不可逆損傷,通常循環次數大于16000 次,壽命可達 15-20 年。
 
有鑒于此,它的主要應用場景是大型儲能系統中,大致有以下幾個方面:
 
1. 風力發電。風機的離網發電所需蓄電池完全可以由液流電池代替。
 
2. 光伏發電儲能及各種供電設備。將大型的釩電池與光伏太陽能電池組合應用,實現有效地能源轉化和存儲。如圖3的系統整體運作圖所示。
 
3. 電動汽車。因其充電能力強,可深度放電,且更換方便快捷,有望成為電動汽車的供能設備。不過,鑒于鋰離子電池的成熟體系,釩電池要有所作為還是有難度。
 
4. 通訊基站。通訊基站和通訊機房需要蓄電池作為后備電源,且時間通常不能少于10h。
 
5.電網調峰。目前電網調峰的主要手段是抽水儲能電站,由于抽水儲能電站受地理條件限制,維護成本高,而釩電池儲能電站選址自由,維護成本低。
 
說了那么多,是不是覺得全釩液流電池是解決風電、光伏儲能perfect choice?
 
這話說得太早。在儲能系統應用上,全釩液流電池不是目前唯一的發展方向。我們看看它跟競爭對手的各項指標對比(數據來源于:蔣凱等. "幾類面向電網的儲能電池介紹." 電力系統自動化 37.1(2013):47-53.)
 

從表中可以看到,全釩液流電池的儲能成本還是相對較高的。這給大規模應用帶來了困難。而且全釩液流電池還存在電解液、 離子交換膜等關鍵材料的制約。最終有多大發展,還得看技術和市場。
 

圖3 釩電池的應用

(編輯:wlgc0812)

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