2018年第20期 广 东 化 工 WWW.gdchem.com l07 第45卷总第382期 全钒液流电池技术及其应用 盛凤军 (江苏省宜兴中等专业学校,江苏宜兴214206) 【摘要】全钒氧化还原液流电池(vanadium redox lfow battery,VRB) ̄有绿色安全、能量效率高、循环寿命长、功率与容量相互独立等优点, 已成为规模储能设备领域的重要设备。本文对全钒液流电池的工作原理、特点及组成电池的关键材料作了详细介绍,对具体的应用领域进行了 分析,并简要介绍了我国实际的应用状况。 [关键词】全钒液流电池;电解液:电极材料;隔膜;应用 【中图分类号1TQ 【文献标识码】A [文章编号11007—1865(2018)20一Ol 07·02 Technologies and Application of Vanadium Redox Flow Battery Sheng Fengiun (Jiangsu Province Yixing Secondary Specialized Schools,Yixing 2 1 4206,China) Abstract:Due to the low cost,long cycle life,deep—discharge capability,flexible design and rapid respond time,vanadium redox flow battery(VRB)have been regarded as one of the promising technologies for large scale energy storage applications.In this paper,we give a brief introduction to the working principle, characteristic and key material ofthe VRB,and introduced the practical application ofChina. Keywords:vanadium redox lfow battery;electrolyte:electrode material:membrane;application 大规模利用可再生能源,实现能源多样化已成为世界各国能 源安全和经济可持续发展的重要战略。近年来,我国新能源产业 发展迅速,截至20l7年底,我国可再生能源发电装机达到6.5亿 千瓦,其中,水电装机3.4l亿千瓦、风电装机1.64亿千瓦、光伏 发电装机1-3亿千瓦、生物质发电装机l488万千瓦,可再生能源 发电装机约占全部电力装机的36.6%,可再生能源的替代作用曰 益突显。但是,风能、太阳能等可再生能源发电具有明显的不连 续、不稳定和不可控等非稳态特征,大规模可再生能源发电并网 将对电网的安全、可靠、高效运行带来严重风险。2017年仅风电 的弃风电量就达到419亿千瓦时,弃风率为l2%。如何寻找高效 的储能设备己成为可再生能源利用的当务之急 钒电池即全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery,缩 写为VRB),是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄能电池之一。 钒电池具有容量大、能量效率高、深度放电、可靠性高、污染低 等特点,可广泛应用于可再生能源储能、电网调峰、备用电源等 领域。 解液是电能存储介质,存储在电池外部储罐中。钒电解质溶液通 过循环系统进入电堆,在电极表面发生氧化还原反应。 1 VRB的工作原理 VRB是一种以不同价态钒离子作为正负极电活性物质,活性 物质溶解于支持电解质中呈液态循环流动的新型氧化还原储能液 流电池。钒原子五个价电子在不同的环境下均可参加成键,在酸 性介质条件下可以形成V(V)、V(IV)、V(III)、V(II)四种价态离子 或离子团【一],图l是在酸性介质中不同价态之间钒的电位图。 E ̄/V(VSNHE1:V02+—0.9—99VO¨0314v .-0.255V v 图2 VRB的工作原理图 VRB以VO2+/VO2 为正极半反应氧化还原活性物质,V”/v 为负极半反应氧化还原活性物质,电池充电过程中,VO 转化为 正极活性物质为VO2 ,V 转化为负极活性物质为V ,电池正负 极电势差升高.电能转化为化学能。放电时,正极活性物质VO 在正极电解室中转化为v0 ,负极活性物质v 在负极电解室中 转化为v ,电池正负极电势差降低,化学能转化为电能。正负 半电池反应及整个电池反应过程如下[ ]: 图1酸性介质中不同价态之间钒的电位图 VRB的主体结构与工作原理如图2所示[ 】,含有钒离子的电 正极反应: VO2 +2H’+ 一 兰 cglartz ̄ +H20 Eo=O999V(VS SHE) .。 c ̄Grg ̄)V 负极反应: V2+一e一 atrc口■ 。E0 O.255V(VS SHE) F 总反应: 。+ +2H c★■r卫‘ ’+ ’+ 20 Eo=l 254V(VS SHE) 一 全钒液流电池的标准电动势为1.26 v,实际使用中,由于电 解液浓度、电极性能、隔膜电导率等因素的影响【4],开路电压可 达到1.5~1.6 V。 2 VRB的特点 因为只采用单一的钒元素,并且具有特殊的结构和充放电原 理,VRB较其它储能电池有着明显的优势,主要包括以下几点: 【收稿日期]2018—08-15 【作者简介】盛风军(1968一),男。江苏宜兴人,高级讲师.硕士.主要从事化学化工教学、介孔复合催化剂的合成及催化研究工作。 广l08 东化工 2018年第20期 第45卷总第382期 WWW.gdchem.com (1)功率和容量可以独立设计。VRB电池的输出功率取决于电 池堆的大小,由于VRB采用独特的正负极电解液储罐设计,电池 串联方便,电堆设计灵活,输出功率可以根据要求任意调节;VRB 通过溶解在硫酸溶液中的钒离子作为电能载体,电池的容量只与 储液罐中的电解液钒离子浓度和储液罐的容积容积有关,可通过 增加或减少电解液的容量已达到调节电池容量的目的,灵活的根 据所应用领域的负载大小来按需调节,尤其适合大规模储能,特 别是百千瓦到百兆瓦的储能。 (2)能量效率高,可深度充放电。能量效率是VRB的一个重 要指标,可理解为电池放出能量与充入能量的比值。VRB正负极 活性物质均为钒离子,因此深度充放电不会对电池结构造成影响, 通常放电深度可达90%以上,且在运行时,可以将以达到充满状 态的电解液储存起来,使用时更换己经深度放电的电解液,整个 电池系统的能量效率实际使用中能够超过8O%,远高于其他二次 电池。 (3)系统稳定性好,运行条件安全。VRB正负电解液活性物质 均为钒离子,无交叉污染。运行过程中,参与反应的活性物质均 为液体状态,不会有固体反应物生成,给电池运行带来短路隐患, 且钒电池系统在室温下即可高效运行,无高温高压等易造成危险 的使用条件,电池系统的安全性非常高,同时为维护带来了方便。 (4)电池系统存储时间久、寿命长,环境友好。电解液在运行 过程中可循环使用,在理想条件下,长时间工作也不会发生其他 反应,不存在环境污染。整个储能系统不产生SO2、NO CO2 等有害气体。VRB报废后,由于电极材料大多采用炭毡或者石墨 毡,双极板采用石墨、碳和树脂,烧掉以后就是二氧化碳和水, 和烧煤差不多,回收处理简单,是新型环保储能系统。 (5)反应速度快,可瞬间响应。充满电解液的电池运行过程中 可瞬间启动,充放电状态切换只需0.02秒。 3 VRB关键材料 VRB具有很广泛的应用前景,但目前它的发展仍受到一些因 素的制约,主要集中在电池材料上。 3.1电极材料 电极作为电池发生电化学反应的场所,是VRB的关键部件之 电极的活性很大程度上决定了电池的能量效率。作为VRB 的电极材料,必须满足以下条件:(1)电极本身不参与反应,仅为 钒电对反应提供反应场所;(2)良好的导电性能以减小电池的欧姆 电阻;(3)具有较优的空间结构,保证电解液在电极内的流通速率, 减小循环泵引起的能耗;(4)电化学和化学稳定性高,能够在强酸 性溶液中稳定存在。目前VRB电极材料的研究热点主要侧重于金 属类电极、复合导电塑料类电极以及碳素类电极。 电极材料是钒液流电池核心组成,是钒电池发生氧化还原电 极反应的场所。因此,作为电极材料,要求它的电化学活性高, 在电解液中化学稳定性好,导电性高,渗透率低,机械性能良好 及成本低廉[ 。目前,可作为VRB电极材料主要包括金属类电极 和碳素类电极以及复合导电塑料电极。 常见的金属类电极包括,金、钛、铅、钛基铂、氧化铱DSA 等。研究表明:金作电极可逆性差,且在v /v 电对发生电极反 应的电势区间内易形成钝化膜,阻碍了电极反应的继续进行;钛 电极的电化学反应活性差;DSA电极虽表现出较好的可逆性、电 化学特性以及稳定性,但比较昂贵,并不能广泛应用。 常见的碳素类电极包括玻碳、石墨棒、石墨板、碳纤维、碳 布及石墨毡。研究表明,玻碳作为电极表现出电化学不可逆性; 石墨板、石墨棒作为电极,在强酸电解质溶液中刻蚀严重且电化 学稳定性差,故工程上不可能大规模使用:碳布和碳纤维作为正 极时,也会发生类似的腐蚀:以粘胶纤维和聚丙烯腈高温烧结而 成的石墨毡,具有比表面积大、耐腐蚀性好等优势,适合作为钒 电极材料。此外经过高温烧结、酸处理的石墨毡可以很好的改善 其电化学活性和润湿性,使其成为工程用钒电池主要的电极材料。 复合导电塑料电极主要是把高分子物质(PE,PP,PVC等) 以一定的比例与导电剂(乙炔黑,石墨粉,炭黑,碳纤维石墨)混 合、压片制成电极,此类电极的导电性、不透液性和稳定性都比 较好。此外,采用导电塑料板与石墨毡组成的复合电极,增强了 电极材料的机械性能,导电塑料板既能起到集流的作用,又能起 到增加电极机械强度和稳定性的作用,应该是今后发展的方向。 3.2电解液 电解液是全钒液流储能系统的核心。VRB既需要高浓度的电 解质溶液以实现电池的高能量密度,又要有高稳定性和高电化学 活性以实现高倍率放电特性、电压效率、能量效率和低的维护成 本。电解液性能对于VRB工程化应用起着重要的作用,而在实际 应用中,电解液性能会受到温度、硫酸浓度和钒离子浓度等因素 的影响。 浓度:理论上可以通过增加电解质的浓度来提高电池的能量 一密度,实际上钒离子浓度并不能无限提高,当钒离子浓度高于3 mol/L时就很容易发生沉积,若电解质液溶液浓度进一步提高, 还会引起水解、缔合、沉淀的析出等一系列问题,反而会使电池 过早失效。 温度:全钒液流储能电池工作时,正极产生两种价态离子 v0v) ̄l v(v)、负极产生两种价态离子v01). ̄I v(Ⅲ),不同价态 离子在一定温度下稳定性存在差异。在电堆中,正负极电解液存 在交叉渗透,反应过程中会涉及热反应,温度的变化不仅会影响 电解质本身的稳定性。更会对电极活性物质在电极上的电化学反 应产生影响,从而影响电池性能。研究表明,钒电解液的温度适 应较差,仅能在10,-40℃的范围内稳定工作[6],低温会导致负极 二价钒离子析出,高于40℃时正极会有五价钒离子析出,造成流 道赌赛等问题。因此,如何提高温度适应能力是VRB电解液研究 的重点之一。 硫酸浓度:不同价态的钒离子在不同浓度支持电解质(硫酸) 中的溶解性和存在形式不同,电解液的稳定性和电化学活性也不 同。当钒电解液中硫酸浓度增大,V /V“和V ,v 氧化还原电对 的氧化峰电流和还原峰电流均有所增大,低价钒离子溶解度随之 降低。 3_3隔膜材料 为避免正负极电解液混合,中间以隔膜隔开。隔膜为正、负 极电解液传递电流载体,形成电流回路。为了研制高效率、长寿 命和低成本等的VRB,其隔膜应满足如下要求:(1)导电率高。载 流体(如H+)透过率高、膜面电阻小,从而有利于提高电池的电压 效率;(2)钒离子渗透率低:(3)稳定性好。VRB电解液以高浓度 的硫酸作为支持电解质,隔膜应耐强酸腐蚀性好、耐电化学氧化, 从而保证电池的循环寿命;(4)降低水迁移量;(5)成本和价格较低, 实现VRB商业化应用。 VRB隔膜材料通常为离子交换膜,离子交换膜由高分子骨 架、固定基团以用解离离子构成【 。根据材料所含解离离子的性 质可将钒电池隔膜分为3类:①解离离子为阳离子的阳离子交换 膜。阳离子交换膜是以阳离子交换树脂为基体的隔膜,膜内含有 酸性基团(如磺酸基),可以解离出阳离子(如H )。在钒电池中, 阳离子交换膜通过解离离子与电解液中的H 发生交换来传导电 流,构成一个完整的电池回路。②解离离子为阴离子的阴离子交 换膜。阴离子交换膜是由阴离子交换树脂构成的隔膜。在钒电池 中,阴离子交换膜通过膜内解离离子(El‘)与电解液中阴离子 (HSO4一,SO42-等)的交换完成载流子(HSO4")的传输。⑧不含解离离 子的中性膜和同时含有阴、阳解离离子的两性离子交换膜。中性 膜通常为多孔膜,膜内不含任何带电基团,而是利用载流子(H ) 与其他离子的体积差异,通过控制膜的孔径大小实现离子的选择 性传输。两性离子交换膜由两性高分子聚合物构成,膜内同时含 有带正电荷的酸性基团(如磺酸基)以及带负电荷的碱性基团(如季 铵盐基)。 ,4 VRB的应用 全钒液流电池与其他储能电池相比,其性能具有很大的优越 性,因此,全钒液流电池具有广泛的应用前景: (1)可作为风力、太阳能等新型间歇性发电系统的储能。随着 化石燃料的不断减少及所带来的环境污染问题,风能、太阳能等 新型清洁能源是未来能源的发展方向,但风能、太阳能属于间歇 性能源,发电稳定性差,存在电压波动和闪变,不能形成稳定的 供电。因此需要高效率低成本的储能系统与其配套使用,钒电池 恰好符合这一要求,且具有存储能量可随意调节:容量及荷电状 态易于监测:充放电电压根据需要灵活调整。 (2)可用于电厂电站的削峰填谷,平衡负荷,减少能源浪费。 占我国发电电力7O%以上的火力发电系统响应速度慢,不能按需 调节发电量,一起启停需要2周以上,且低负荷发电下需要投油 保证发电系统正常运行。成本高昂,造成了大量的资源浪费。钒 电池储能效率高,可广泛应用于电厂储电,低负荷下将多余电能 存储起来,高负荷下作为辅助电源向电网输入电能,减少能源浪 费。 (31可作为偏远地区的储能、发电系统。钒电池自放电率低、 比能量高、能量效率超过8O%以上,可建设规模化的钒电池发电 站,大幅度降低远距离的输电设备架设需求,有非常优越的经济 型,减少了大量高压输电设备所带来的安全隐患。 (4)可作为应急发电装置。由于钒电池的可长期储存能量,因 此当发生紧急情况时,可立刻将储备好的以充满点的钒电解液投 入使用,为负载功能,其速度比常用的应急发电装置快得多,可 作为因为突发事件停电后需要紧急供电场所得备用电源,亦可作 为计算机和军用设施的备用应急电源,还可以用于通讯、铁路发 送信号、无线电转播站等。 (下转第lI2页) 广l 12 东化工 2018年第20期 第45卷总第382期 VdVgW.gdchem.com 排放铁氧化物NMs的环境后果的数据甚少。因此,有必要实施有 效的风险评估尽快解决铁氧化物NMs的潜在危害【 】。目前对这~ 领域的关注还不够,需要进一步研究。 在今后的研究中应该从这些方面进行更加深入研究:(1)由于 纳米材料的非常微小的直径,传统的对环境风险的研究的方法对 纳米材料是否还可以较准确的表达纳米材料的环境风险;(2)纳米 材料的生物体毒性的影响机理还没有得到较好的解释。而且不同 的环境条件下纳米材料的性质会如何发生转化,仍需更深入的研 究:(3)现在对纳米材料的风险研究都是对动物等的研究,缺少对 人体及环境的研究。 2005,29l(21:4l 1—420. 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