新技术简介钒电池

新闻联播——钒电池已经投入使用

钒电池已在大连投入使用。可同时为60台车充电，只需更换已充好电的电池，电池通过太阳能板提前充好电。不需要花几小时充电。这是2012年5月16日中央电视台新闻联播节目内容：

“辽宁省以遍布2900公里海岸线上的42个重点园区为突破口，科学规划、因地制宜，沿海经济带正成为新一轮东北振兴的活力引擎。

最近正在大连友谊街上试运行的大型换电站，一次可同时为50辆纯电动公交车提供换电服务，而无需花6小时为一辆车充电。工作人员说，换电站通过屋顶的太阳能电池板，对之前换下的汽车电池充电，司机来后只需更换电池即可。而这种储能电池系统，就是由大连本土企业自主研发的。

作为全球唯一能够大批量生产这种钒电解液的企业，博融新材料就落户大连花园口经济区，与需要高纯钒的下游企业融德特种材料仅一墙之隔，形成了相互依存的供需链条。

在花园口，像博融、融德这样具有自主知识产权的新材料企业还有730多家，密布在航空航天动力(股吧)合金、新能源蓄能电池和生物科技等五大产业园区。”

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钒电池能否引领新能源革命

钒电池（VRB,VanadiumRedoxFlowBattery）是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效可逆燃料电池，具有功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保等一系列独特优点，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，在日本、加拿大、美国、澳大利亚、西欧等国家和地区已开始取代容量小、寿命短、污染大的铅酸电池。 一.钒电池优势：

随着钒电池技术的迅猛发展，钒电池必将为人类带来一场前所未有、意义重大深远的新能源产业，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，目前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。目前加拿大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，维护简单，运营成本低。 二.钒电池市场应用前景 （1）在风力发电领域应用

目前风力发电机需要配备功率大约相当于其功率1%的铅酸电池用于紧急情况时风机保护收风叶用，另外每一台风机还需要配备功率大约相当于其功率4%的后备蓄电池。由于电网已成为风电发展的瓶颈，随着风电的爆炸式发展，风电与电网的矛盾将越来越突出，为了减少对电网的冲击，大幅度提高风电场电力的使用率同时赚取巨额的电网峰谷差价，风电场将需要配备功率相当于其功率10～50%的动态储能蓄电池。对于风机离网发电，则需要更大比例的动态储能蓄电池。由于风机现在使用的铅酸电池存在容量小、寿命短、稳定性差、维护费时费力、污染大等严重缺陷，风机制造厂家一直在寻找更好的可以替代铅酸电池的产品，相信拥有众多杰出优点的钒电池完全可以取代现有的铅酸电池，进而构建风电场的动态能源储存系统，大幅度提高风电场的效率和效益，推动风电产业更好更快地发展。 （2）在光伏发电领域应用

据权威机构统计，近几年全球光伏组件的年均增长率高达30％，光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一。特别是2008年，全球光伏发电装机总量达到3吉瓦。顾名思义，光伏发电需要太阳光，一旦到了晚上和阴雨天就发不了电，因而需要蓄电池为其储存电力，由于铅酸电池功率、容量、寿命均非常有限，相信集众多杰出优点于一身的钒电池将作为光伏发电储能电池的首选。

（3）在电网调峰领域应用

电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。近二三十年来，世界发达国家抽水蓄能电站发展越来越快。世界上抽水蓄能电站发展最快、装机容量最多的是日本，其次是美国、意大利、德国、法国、西班牙等，日本和美国抽水蓄能电站装机容量均已超过2000万千瓦。

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设，而且占地面积大，维护成本高。钒电池蓄能电站不受地理条件限制，选址自由，占地少，维护成本低。可以预期，随着钒电池技术的发展，钒电池蓄能电站将逐步取代抽水蓄能电站，在电网调峰中发挥重要的作用。 （4）在交通市政领域应用

随着世界城市化进程的不断加快和汽车保有量的持续增加，汽车尾气污染已经成为城市空气污染的头号污染源。大力发展节能、环保的电动汽车替代传统燃油汽车，已成为了人们的共识。随着钒电池技术的快速发展，可以预期，拥有众多杰出优点的钒电池将在电动汽车（特别是城市公交客车）、电动机车、电动自行车、电动船舶、交通信号、风光互补路灯等广阔领域发挥重要作用。

（5）在通讯基站领域应用

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，安全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拟的先天优势。 （6）UPS电源应用

赛迪顾问研究显示，2007年UPS市场出现了持续增长的态势，主要原因是中国经济的持续高速发展带来的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。未来几年，UPS产品发展的方向是更高的可用性、安全性以及功能的集成化、智能化和人性化。目前中国的UPS市场强烈需求功率大、安全、稳定可靠的蓄电池，钒电池在这一领域，相对于铅酸电池无论在功率、安全稳定性、还是使用寿命上都有着绝对优势。 （7）分布电站领域应用

当今社会对能源与电力供应的质量、效率、环保以及安全可靠性要求越来越高，大电网由于

自身的缺陷已经不能满足这种要求。随着分布电站的崛起，大型中心电站将逐步走向衰落。相信钒电池将首先在医院、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、精密制造工业的分布电站中发挥重要作用。 （8）军用蓄电领域应用

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中发挥重要作用。

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钒电池分为上、中、下三线阶梯领域，先来学习和分析上游产品——钒及其钒矿 一.矿物原料特点

钒（vanadium）是一种种化学元素。化学符号V，原子序数23，原子量50.9415，属周期系ⅤB族。钒在地壳中的含量为0.02％～0.03％，钒的矿物主要有绿硫钒矿、钒云母、钒铅矿、钒钾铀矿。钒还存在于铁矿和铝矿中。钒是淡灰色有光泽金属，熔点1890±10℃，沸点3380℃，密度5.96克／厘米3。有韧性，在氢气中加热变脆 ，含氧和氮的钒也有脆性 。高温下与多数非金属元素（ 如氮 、碳 、硫）发生反应 。钒还能与铝、钴、铜、铁 、锰、钼 、镍、钯、锡、硅形成合金。钒不与稀盐酸、稀硫酸和碱溶液作用，但易溶于浓硫酸、浓硝酸和氢氟酸。钒与熔融的碱作用后，生成钒酸盐。钒的氧化态为－1、＋1、＋2、＋3、＋4、＋5。通常＋2和＋3价钒的氢氧化物呈碱性，＋4和＋5价钒的氢氧化物呈两性。＋ 5价钒在不同酸度的水溶液中形成不同组成的钒酸盐。 独立钒矿床很少，多共生或伴生于钒钛磁铁矿、铝土矿、铀矿、煤矿、磷矿或铅锌铜矿床中。主要钒矿物有钒铅矿、钒钛磁铁矿、钒钙铜矿、钒钾铀矿、钒钙铀矿等。采用磁选、重选、浮选或电选法选矿。钒的化合物用作制取硫酸和有机合成的催化剂。用于石油、冶金、玻璃、陶瓷、纺织、油漆、染料、化学药剂、照相、电影等部门。 二.钒矿物及其赋存状态

(一)钒矿物及钒元素赋存状态 钒元素是较为活泼的金属，在自然界中主要形成复杂的化合物的矿物。迄今为止在自然界中尚未发现单质形式存在的自然元素,钒是呈分散状态存在的。作为钛磁铁矿-钒钛磁铁矿-钛钒磁铁矿系列矿物的钛磁铁矿是钒的主要载体矿物，V显强的亲氧性，主要形成氧化物和含氧酸盐的矿物组合。钒可以以类质同象存在于云母类矿物和钒电气石中，另外钒也以吸附状态存在。V3可取代六次配位的Fe3而进入磁铁矿的晶格。在钒钛磁铁矿中存在着Fe3、V3、Ti3的相互替代。V3同(Nb、Ta)5、Sn4等高价离子之间可以进行异价的类质同像。 矿物类及主要的工业矿物：

1.复杂的钒酸盐矿物：钒铅锌矿、褐铅矿、钒酸钙铀矿、钒云母等； 2.简单的钒酸盐矿物：钒铋矿、钒铅矿等；

3.硫化物：绿硫钒矿、铜钒硫矿 （这两种矿物较少见）。 (二)主要钒矿物： 1.钒铅矿

又称“褐铅矿”。成分为Pb5[VO4]3Cl，含V2O5为19.4％。六方晶系。晶体为六方柱状或针状，通常为致密块状。黄至黄褐色。条痕白至淡黄色。硬度2.5—3，比重6.66—7.10。产于铅矿床的氧化带中，大量聚积时，可作钒铅矿石开采。可从中提炼钒。

[形态］:斜方双锥晶类, C6h-6/m(L6PC) , 晶体呈六方柱状(图7)。亦呈针状或毛发状。有时呈骸晶或多孔状。集合体呈晶簇状、球状。 2.钒钛磁铁矿

钒钛磁铁矿中的钒主要以FeO· V2O3尖晶石形态存在，矿中含钒0.2%～1.5%。世界上除美国从钾钒铀矿中提钒外，其他主要产钒国家中都从钒钛磁铁矿中提取钒。钒钛磁铁矿

不仅是铁的重要来源，而且伴生的钒、钛、铬、钴、镍、铂族和钪等多种组份，具有重要的综合利用价值。含钒钛磁铁矿岩体分为基性岩（辉长岩）型和基性-超基性岩（辉长岩－辉石岩－辉岩）型两大类，两种类型的地质特征基本相同，前者相当于后者的基性岩相带部分的特征，后者除铁、钛、钒外，伴生的铬、钴、镍和铂族组分含量较高，因而综合利用价值更大。 3.钒钙铜矿

CaCu[VO4](OH)主要含钒矿物之一。含五氧化二钒38.60%。斜方晶系，晶体结构与钒铅矿相同；集合体呈鳞片状、土状、肾状或纤维状。呈浅黄绿、橄榄绿至暗绿色。玻璃光泽和珍珠光泽。硬度3.5，密度3.5～3.9g/cm3。主要产于硫化物矿床的氧化带中。用于提取五氧化二钒等钒化合物和炼钒。 4.钒钾铀矿 又称“钒酸钾铀矿”。成分为K2[VO2]2[VO4]2·3H2O，呈浅黄色或浅绿黄色，含V2O520.16%。含铀42—46％。单斜晶系。晶体细小，片状或板状。通常呈粉末块状。鲜黄或淡黄绿色。玻璃光泽，硬度2—2.5，比重4.46，具强放射性。易溶于稀酸中。分布于有机质的沉积岩的风化带（主要是砂岩），或见于沉积铀矿床的氧化带中，是提取铀、钒及镭的矿物原料。 5.钒云母

钒云母其颜色、形态和透射光下为绿色，有多色性为鉴定特征。钒云母赋存于含有机炭质较高的炭质板岩中，与铬钒水云母、铬钒白云母、钡钒水云母等共生。钒云母大部分晶体呈亮绿色细纤维状，少数成片状。硬度：2.5，比重：2.88g/cm3，解理：解理极完全， 断 口：无，颜 色：颜色随 V2O3含量的增加，从浅绿色向深绿色转变；若成分含铬则带蓝色，条痕：颜色随 V 2O 3含量的增加，从浅绿色向深绿色转变；若成分含铬则带蓝色，透明 度：不透明，光 泽：丝绢光泽，发 光 性：非荧光。 三.工业要求

一般要求：伴生钒矿床含五氧化二钒≥0.1%～0.5%；单独钒矿床，边界品位(含五氧化二钒)0.5%、工业品位0.7%。 四.储量规模

中国钒矿资源较多，总保有储量V2O52596万吨，居世界第3位。钒主要和其他一些金属矿共生,至今没有发现独立的钒矿。世界上钒年产量的88%是从钒钛磁铁矿中获得的,而我国以钒钛磁铁矿资源最为丰富,储量位于南非和俄罗斯之后,居世界第三位。尤其是攀枝花地区的钒资源相当丰富,已探明的钒钛磁铁矿储量近100亿t,V2O5 储量为1578 万t,约占全国储量的55% ,世界储量的11% 。另外在河北承德地区,高铁品位钒钛磁铁矿(铁含量大于30% V2O5 含量大于0.7%) 已探明储量216亿t,其中保有储量212 亿t; 低铁品位钒钛磁铁矿(铁含量大于10% V2O5 含量大于0.13%) 已详细勘查确定的储量为 2916 亿吨,总共约占全国储量的40%。

在我国湘、鄂、浙、赣、桂、川、陕、黔诸省区富产含碳页岩(石煤),探明储量为618.8亿t,其含V2O5品位多在0.3%～1.0%之间,其中ω(V2O5) ≥0.5 % 的石煤中V2O5储量为7707.5 万t,是我国钒钛磁铁矿中V2O5储量的2.7倍。因此，从石煤中提钒成为了我国利用钒资源的一个重要发展方向。

钒矿可开采储量和保有储量 可开采储量 1020万吨 保有储量 3109.4万吨 澳大利亚

1.6% 7.7 % 中国 19.6% 9.6 % 俄罗斯 48.9% 22.5 % 南非 29.4% 40.2 % 美国 — 12.9 % 其他 0.5% 7.1 %

五.钒矿的分布

钒主要蕴藏在中国、俄罗斯、南非、澳大利亚西部和新西兰的钛铁磁铁矿中，委内瑞拉、加拿大阿尔伯托、中东和澳大利亚昆仕兰的油类矿藏中，以及美国的钒矿石和黏土矿中。 钒矿分布较广，在19个省(区)有探明储量，中国钒矿主要集中于“一点”和“一片”。“一点”就是四川攀西地区；“一片”是南方湘、川、鄂、黔、桂、浙、皖、赣、粤诸省。其余零星分布于新疆、甘肃、吉林、陕西、山西及河北诸省(区)。

四川钒储量居全国之首，占总储量的49%；湖南、安徽、广西、湖北、甘肃等省(区)次之。钒钛磁铁矿主要分布于四川攀枝花-西昌地区,河北承德地区、陕西汉中地区、湖北郧阳、襄阳地区、广东兴宁及山西代县等地区。黑色页岩型钒矿主要分布于湘、鄂、皖、赣一带。钒矿成矿时代主要为古生代，其他地质时代也有少量钒矿产出。

我国四川攀枝花地区蕴藏着极其丰富的钒钛磁铁矿，主要分布在攀枝花铁矿，红格铁矿，白马铁矿三大矿区，目前只有攀枝花铁矿已被开采，其它两处铁矿都有待开发。已探明的钒钛磁铁矿储量达100亿吨，远景储量200亿吨以上，钒资源的储量占世界总量的6.7%。 六.主要钒矿类型

钒矿主要产于岩浆岩型钒钛磁铁矿床之中，作为伴生矿产出。钒矿作为独立矿床主要为寒武纪的黑色页岩型钒矿。沉积型钒矿多产于扬子地台和秦岭-祁连褶皱系的所谓“下寒武统黑色岩系”（即广义的“石煤”）中。

中国已探明的具有经济意义的钒矿成因类型有岩浆型、沉积型和火山岩(玢岩)型。其他类型矿床工作甚少，尚未发现有经济意义的矿床。

(1)岩浆型包括晚期岩浆分异型与晚期岩浆贯入型两类，均与基性—超基性岩有关，分布于攀西地区和河北承德地区。攀西地区的钒钛磁铁矿产于晚期岩浆分异的辉长岩—橄长岩—橄榄辉长岩组合或辉长岩—辉石岩—橄榄岩组合的层状岩体中。承德大庙的钒钛磁铁矿则产于斜长岩与辉长岩接触带或斜长岩破裂带中。

(2)沉积型主要产于下寒武统黑色页岩中。黑色页岩系由黑色碳质页岩、黑色 碳泥质硅质岩和黑色碳质硅岩组成。以含较高的有机碳为特征，含碳量一般为8%～ 12％。黑色岩系根据成分可细分为石煤层、磷块岩层、钒矿层和镍钼多元素富集层；通称为“石煤”。五氧化二钒在各层中含量相差悬殊，一般为0.13％～ 1.00％，低于0.50％者占60％。钒矿层的

岩性序列自下而上为：黑色碳质硅岩—黑色碳质粉砂质页岩—钒矿层—黑色碳质页岩。按不同元素组合，可分为含钒、钒钼、钒镍、钒镓、钒铀、钒钼铀、镍钼、镍钼钒和钒等类型。钒(钡)硅酸盐相是海盆中的粘土物吸收钒的产物，与开阔的浅海盆地环境有关；含矿层中的元案来源，既有来自大陆风化壳的陆源碎屑，也可能有热卤水或海底火山喷发物质(中国科学院地球化学研究所，198I)；钒的成矿作用开始于沉积阶段，但主要完成于成岩阶段(梁博益，1990)。

(3)火山岩(玢岩)型产于中—基性玢岩中。矿石以角砾状、脉状为特征。五氧化二钒含在磁铁矿和赤铁矿中。