釩元素
釩，元素符號 V，銀白色金屬，原子序數(shù)23，原子量50.9414。釩屬于VB族元素，體心立方晶體，電子層分布為3d34s2。
釩的發(fā)現(xiàn)
1830年，瑞典化學家塞夫斯特倫（Sefstrom N G，1787-1845）在研究斯馬蘭礦區(qū)的鐵礦時，用酸溶解鐵，在殘渣中發(fā)現(xiàn)了釩。因為釩的化合物的顏色五顏六色，十分漂亮，所以就用古希臘神話中一位叫維納迪絲“Vanadis”的美麗女神的名字給這種新元素起名叫“Vanadium”。元素符號V同時也賦予了這種元素Victory勝利的含義。
釩的化學性質(zhì)比較活躍，可以形成+5、+4、+3、+2多種價態(tài)的釩化合物，并具有美麗的顏色，如V2+呈紫色，V3+呈綠色；VO2+呈藍色，VO2+呈黃色。
全釩液流電池原理
釩液流儲能電池是利用不同價態(tài)離子對的氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)化學能和電能的相互轉(zhuǎn)化，其裝置主要由電堆系統(tǒng)、電源負載系統(tǒng)、電解液存儲與供應(yīng)系統(tǒng)等部分組成。電堆系統(tǒng)由電極、離子交換膜、雙極板、板框PVC、電解液等組成。該電池以電解液中含不同價態(tài)的釩離子作為正、負極活性物質(zhì)，分別裝在兩個大儲液罐的溶液中，通過外接泵將電解液泵入到電池堆體內(nèi)，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動；采用離子膜作為電池組的隔膜，電解液平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應(yīng)，將電解液中的化學能轉(zhuǎn)化為電能，通過雙極板收集和傳導電流。在釩電池中，正極發(fā)生的是+4和+5價釩離子的氧化還原反應(yīng)，負極發(fā)生的是+2和+3價釩離子的氧化還原反應(yīng)。正負極電化學反應(yīng)構(gòu)成了全釩液流電池的基本原理，反應(yīng)方程如下：
充電過程：
正極：VO2+ + H2O → VO2+ + 2H+ + e E0=1.00V
負極：V3+ + e →V2 + E0=-0.26V
放電過程：
正極：VO2+ + 2H+ + e → VO2+ + H2O E0=1.00V
負極：V2+ - e → V3+ E0=-0.26V
完全放電態(tài)時（即SOC=0）：正半電池電解液為V（IV）的硫酸溶液，負半電池電解液為V（III）的硫酸溶液；完全充電態(tài)時（即SOC=1）：正半電池電解液為V(V)的硫酸溶液，負半電池電解液為V（II）的硫酸溶液；其余的電荷狀態(tài)（即0<SOC<1），則正半電池為V（IV）和V(V)的混合硫酸溶液，負半電池為V（II）和V（III）的混合硫酸溶液，依電荷狀態(tài)的不同，混合溶液中各自的比例不同。
全釩液流電池特點
1、 正負半電池腔使用同一種金屬離子的硫酸溶液作電解液，避免了Fe/Cr電池中電解液交叉污染的問題，提高了電池的效率和壽命；
2、 用完全可溶的氧化還原電對和惰性電極消除了傳統(tǒng)電池（鉛酸電池，鎳/鎘電池）不希望的電極過程——固相反應(yīng)所伴隨的電極變形，脫落，短路等而引起的容量損失；
3、 系統(tǒng)的儲存容量取決于溶液的濃度和儲液箱的體積，對于相同功率輸出的電池可根據(jù)需求任意調(diào)整容量；
4、 功率由系統(tǒng)中單電池的部署決定，可通過串連和并聯(lián)任意調(diào)整功率來滿足不同需求；
5、 電池活性物質(zhì)以溶液形式存在，充放電不涉及固相反應(yīng)，反應(yīng)速度可以很快，可在瞬間啟動，在運行過程中充放電狀態(tài)切換只需要0.02秒；
6、 電池活性物質(zhì)在充放電過程中不消耗，理論循環(huán)壽命無限，使得電池成本大為降低；
7、 反應(yīng)裝置與儲存裝置相互獨立，由電池中的極少量電解液的擴散所引起的自放電很??；
8、 結(jié)構(gòu)簡單，更換和維修費用低廉，對環(huán)境友好，是環(huán)保電池。
全釩液流電池技術(shù)優(yōu)勢
規(guī)模大：通過改變儲槽中電解液的量，能夠滿足太陽能、風能發(fā)電過程大規(guī)模儲能容量需求；通過調(diào)整電池堆中正負半電池的對數(shù)和電極面積，滿足額定放電功率。
壽命長：電池正負極反應(yīng)均在液相中完成，充放電過程僅僅改變?nèi)芤褐锈C離子狀態(tài)，沒有外界離子參與電化學反應(yīng)，理論上可以進行無限次任意程度的充放電循環(huán)，極大延長電池的使用壽命。國際上建成的VRB實驗電堆，經(jīng)過13000次循環(huán)充放電，驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和技術(shù)可靠性，其壽命遠高于現(xiàn)有的鉛酸電池系統(tǒng)。
成本低：隨著電極、膜等材料方面的不斷突破和改進，全釩液流電池成本不斷降低。與鋰電池相比，釩具有無可比擬的資源優(yōu)勢，電解液的成本隨著規(guī)模化生產(chǎn)也將進一步下降。同時，從全釩液流電池的使用壽命來看，其單位儲能成本在整個生命周期內(nèi)具有非常大的成本優(yōu)勢。
效率高：由于正負半電池電解液中的活性物質(zhì)分別儲存在不同的儲槽中，完全避免電解液保存過程的自放電消耗。VRB系統(tǒng)可以對儲能容量和放電功率分別進行獨立設(shè)計，經(jīng)過優(yōu)化的電池系統(tǒng)充放電效率高達80％。
安全性好：全釩液流電池沒有任何潛在的爆炸或著火危險，即使將正、負極電解液混合也無危險。
環(huán)境友好：電解液可以循環(huán)反復利用，電池退役后，電極、膜、雙極板等均為普通工業(yè)固體廢物，與其他電池相比，對環(huán)境影響非常小。
全釩液流電池市場應(yīng)用
由于全釩液流電池可以保持連續(xù)穩(wěn)定、安全可靠的電力輸出，用于風能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，解決其發(fā)電不連續(xù)、不穩(wěn)定特性；用于電力系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)用戶端負載平衡，保證智能電網(wǎng)穩(wěn)定運行；用于電動汽車充電站，可避免電動車大電流充電對電網(wǎng)造成沖擊；用于高耗能企業(yè)，谷電峰用，可降低生產(chǎn)成本。此外，它還可應(yīng)用于電信的通訊基站、國家重要部門的備用電站等。
1、風力發(fā)電
風能發(fā)電自身所固有的隨機性、間歇性特征，決定了其規(guī)模化發(fā)展必然會對電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運行帶來顯著影響，必須要有先進的儲能技術(shù)作支撐。
研究表明，如果風電裝機占裝機總量的比例在10％以內(nèi)，依靠傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)以及增加水電、燃氣機組等手段基本可以保證電網(wǎng)安全；但如果所占比例達到20％甚至更高，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運行面臨巨大挑戰(zhàn)。目前為了減少對電網(wǎng)的沖擊，每一臺風機需要配備其功率4%的后備蓄電池。另外還需要大約相當于其功率1%的蓄電池用于緊急情況時風機保護收風葉用。
電網(wǎng)對風電輸出平穩(wěn)性的要求已成為風電發(fā)展的瓶頸。隨著風電的快速發(fā)展，風電與電網(wǎng)的矛盾越來越突出。如果需要平滑風電90％以上的電力輸出，需要為風電場配置20％左右額定功率的儲能電池；如果希望風電場還能具有削峰填谷的功能，將需要配備相當于40-50%功率的動態(tài)儲能電池；如果風機離網(wǎng)發(fā)電，則需要更大比例的動態(tài)儲能電池。
風機現(xiàn)在使用的鉛酸電池容量小、壽命短、穩(wěn)定性差、維護費時費力、污染大，釩電池所具備的優(yōu)點，完全可以取代現(xiàn)有的鉛酸電池，成為風電場動態(tài)儲能系統(tǒng)的主體。
中國風電資源經(jīng)初步探明10米高空約10億kW，其中陸上風電資源2.35億kW，沿海風電資源7.5億kW；擴展到50米高空，是20億～25億千瓦。國家能源局數(shù)據(jù)顯示，2015年，全國風電產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持強勁增長勢頭，新增裝機容量3297萬千瓦，再創(chuàng)歷史新高，累計并網(wǎng)裝機容量達到1.29億千瓦，占全部發(fā)電裝機容量的8.6%。這一數(shù)值也占到全球風電裝機容量的1/4。然而自2010年開始,全國平均棄風率長期高于10%，2015年這一數(shù)據(jù)攀升至15%。特別是在2015年入冬后，甘肅、寧夏、黑龍江等省區(qū)的一些風電項目的棄風率更是高達60%以上。
風電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是我國的多數(shù)風電場屬于“大規(guī)模集中開發(fā)、遠距離輸送”，對電網(wǎng)的運行和控制提出了嚴峻挑戰(zhàn)。大容量儲能產(chǎn)品成為解決電網(wǎng)與風電之間矛盾的關(guān)鍵因素。2016年11月7日，國家能源局召開新聞發(fā)布會，披露《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出到2020年，全國風電裝機達到2.1億千瓦以上，其中海上風電500萬千瓦左右。即使按照風電調(diào)控最低要求計算，5%的風電儲能比例，2020年儲能電池的需求將達到1050萬kW；如果需要平滑90％以上的風電輸出，儲能電池的需求還要增加3倍以上。
2、光伏發(fā)電
2016年11月7日，國家能源局召開新聞發(fā)布會，披露《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出要按照分散開發(fā)、就近消納為主的原則布局光伏電站，2020年，太陽能發(fā)電裝機達到1.1億千瓦以上，其中分布式光伏6000萬千瓦以上、光熱發(fā)電500萬千瓦。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會最新發(fā)布的報告顯示，截至今年9月底，全國并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機容量7075萬千瓦。按照這一數(shù)據(jù)計算，未來5年，我國太陽能發(fā)電裝機容量還要再增4000萬千瓦。然而根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會今年初發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2015年國家電網(wǎng)調(diào)度范圍內(nèi)累計棄光電量為46.5億千瓦時，棄光率12.62%，全部集中在西北地區(qū)的甘肅、青海、新疆和寧夏四省區(qū)。其中甘肅棄光率達到30.7%，新疆為22%。預計中國2010年光伏電池發(fā)電總?cè)萘窟_到25萬kW，2020年太陽能發(fā)電裝機容量計劃達到2000萬kW。
光伏發(fā)電依賴于太陽光，目前大型光伏發(fā)電場主要采用的是并網(wǎng)發(fā)電，對電網(wǎng)的調(diào)峰能力有比較高的要求，目前我國電力系統(tǒng)煤電比例較高，核電和熱電機組不能參與調(diào)峰，水電、燃氣發(fā)電具有比較好的調(diào)峰性能，但所占比例不高，如果光伏發(fā)電占的比例大了，會給電網(wǎng)調(diào)控造成非常大的困難。
光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能電池的作用是貯存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負載供電。光伏發(fā)電對儲能電池的基本要求是：a.自放電率低；b.使用壽命長；c.深放電能力強；d.充電效率高；e.少維護或免維護；f.工作溫度范圍寬；g.價格低廉。
目前與光伏發(fā)電相配套的儲能主要是鉛酸電池，由于功率、容量、壽命都不能滿足光伏發(fā)電配套需求，全釩液流儲能電池將作為未來光伏發(fā)電儲能電池的首選。
3、電網(wǎng)調(diào)峰
電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。由于抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區(qū)不容易建設(shè)，而且占地面積大，維護成本高。
為應(yīng)對城市尖峰負荷，電力系統(tǒng)每年都要新增大量投資用于電網(wǎng)和電源后備容量建設(shè)，但利用率卻非常低。以上海為例，2004-2006年間，為解決全市每年只有183.25小時的尖峰負荷，僅對電網(wǎng)側(cè)的投資每年就超過200億元，而為此形成的輸配電能力的年平均利用率不到2％。
采用釩電池取代抽水蓄能電站，大容量儲能電池應(yīng)對城市尖峰負荷，不受地理條件限制，選址自由，占地少，維護成本低。還可提高能源利用效率，為國家節(jié)約巨額投資，其節(jié)地、節(jié)能、減排的效果是其他調(diào)峰措施無法比擬的。
4、通信基站
通信基站和通信機房需要蓄電池作為后備電源，且時間通常不能少于10小時。對通訊運營商來講，安全穩(wěn)定可靠性和使用壽命是最重要的，在這一領(lǐng)域，釩電池有著鉛酸電池無法比擬的先天優(yōu)勢。
釩電池和鉛酸電池相比，在網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用中優(yōu)勢明顯：壽命長，維護簡單，能量存儲穩(wěn)定、控制精確、自放電少，可便捷調(diào)整能量的存儲量，總體使用成本低。 釩電池在通信應(yīng)用中能量存儲成本低的優(yōu)勢明顯。通信網(wǎng)絡(luò)中的基站動力系統(tǒng)中通常使用柴油發(fā)電機，在停電時提供長時間動力。柴油機在備用動力系統(tǒng)投資中占了很大一部分，而且需要持續(xù)不斷的機械維護以保證其可靠性；在實際應(yīng)用中，柴油機的利用率很低，因此其單位時間的使用成本比較高；系統(tǒng)中經(jīng)常使用的鉛酸電池由于自放電的原因，也需要經(jīng)常維護。
釩電池完全可以替代動力系統(tǒng)中的鉛酸電池和柴油機的動力組合，提供高可靠性的直流電源的能量存儲解決方案。釩電池還可以很好地與網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域使用的地理分布很廣、數(shù)量眾多的太陽能電池進行很好的匹配，替代目前太陽能供電系統(tǒng)中通常使用的鉛酸電池，降低維護量，減少成本，提高生產(chǎn)率。
5、UPS電源
中國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展帶來的UPS用戶需求分散化，使得更多的行業(yè)和更多的企業(yè)對UPS產(chǎn)生了持續(xù)的需求。釩電池相對于鉛酸電池，在功率、安全穩(wěn)定性、使用壽命上都有著絕對優(yōu)勢。
釩電池作為一個單一的能源存儲元件可以針對不同需求同時提供多種不同的電壓，相對于傳統(tǒng)串聯(lián)型鉛酸或鎳鎘電池，這種優(yōu)越性是顯著的。
6、分布式電站
大型電網(wǎng)自身的缺陷，難以保障電力供應(yīng)的質(zhì)量、效率、安全可靠性要求，對于重要單位和企業(yè)，往往需要雙電源甚至多電源作為備份和保障。分布式電站可以減少或避免由于電網(wǎng)故障或各種以外時間造成的斷電。醫(yī)院、指揮控制中心、數(shù)據(jù)處理和通訊中心、商業(yè)大樓、娛樂中心、政府要害部門、制藥和化學材料工業(yè)、精密制造工業(yè)等領(lǐng)域是分布式電站發(fā)展的重點領(lǐng)域，釩電池可以在分布式電站的發(fā)展中發(fā)揮重要作用。
7、交通市政
目前汽車尾氣排放污染已經(jīng)成為大城市中的頭號污染源。大力發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的電動汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車，已成為了人們的共識。釩電池的大容量、大電流充放、同時充放的特點技術(shù)，可以作為電動汽車、電動自行車、電動船舶等電動設(shè)備的理想充電電源
全釩液流電池開發(fā)進程
開發(fā)階段：全釩液流電池研究始于20世紀80年代。由Thaller于1974年提出，美國航天局（NASA）曾開發(fā)Fe/Cr電解質(zhì)溶液體系液流電池。1984年，新南威爾士大學的Maria Skyllas-Kazacos等提出全釩液流電池原理。1986年全釩液流電池體系獲得專利。1988年，UNSW提出并首次建造了1kW級全釩液流電池堆。該電池堆由10個單電池組成，能量效率可達72%-88%。標志著全釩液流電池開始走出實驗室，邁向工程化研發(fā)階段。
驗證階段：全釩液流電池工程發(fā)展的第二個階段主要集中在日本。從20世紀90年代初開始，以日本住友電工(SEI）和Kashima-kita電力公司為首的工業(yè)企業(yè)先后開發(fā)了一系列規(guī)模不一的實驗性電堆。通過對電堆關(guān)鍵材料和工程設(shè)計進行深入探索，逐步把全釩液流電池系統(tǒng)推向商業(yè)化驗證并試運營階段。
商業(yè)化階段：自2010年以來，隨著儲能需求的爆發(fā)式增長，全釩液流電池的商業(yè)化進程不斷加速。先后涌現(xiàn)了一大批公司以及科研院所，積極參與開發(fā)全釩液流儲能電池，并推動多個商業(yè)化示范項目。其中推進較快的主要集中在日本、美國、歐盟和中國等。
日本：以住友電工為代表。日本住友電工（SEI)作為全釩液流電池領(lǐng)域重要的領(lǐng)軍企業(yè)，自2013年開始，在北海道建設(shè)15兆瓦/60兆瓦時全釩液流電池電站。該電站已于2015年底投入運行，用于解決北海道局部區(qū)域大規(guī)模太陽能電站并網(wǎng)帶來的調(diào)峰和電能量壓力，該項目的成功實施將是全釩液流電池領(lǐng)域又一里程碑。
美國：以UET為代表。2014年，美國UET公司在美國能源部和華盛頓清潔基金的支持下，建立了3兆瓦/10兆瓦時全釩液流電池儲能系統(tǒng)。該項目中首次使用混合酸性電解液技術(shù)，將能量密度提高約40%，并能拓寬全釩液流電池使用溫度窗口和電壓范圍，減少熱管理能耗。日前，該公司又獲得美國海軍的一個4.5兆瓦/18兆瓦時全釩液流電池儲能系統(tǒng)項目。
歐盟：以德馬吉為代表。德馬吉公司儲能業(yè)務(wù)始于奧地利，2008年首次推出全釩液流電池儲能系統(tǒng)。該公司以小型集裝箱式統(tǒng)為主，迄今已經(jīng)安裝了約100套電池儲能系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在光伏、風能、通信基站、備用電源和分布式發(fā)電等領(lǐng)域。
中國：以融科儲能為代表。2013年5月，融科儲能設(shè)計建造的5兆瓦/10兆瓦時全釩液流電池儲能系統(tǒng)在國電龍源臥牛石50兆瓦風電場成功并網(wǎng)運行。相繼實施的位于錦州的風電并網(wǎng)用3兆瓦/6兆瓦時儲能項目也是我國探索儲能商業(yè)模式的重要案例。2016年10月8日，融科儲能簽訂的200兆瓦/800兆瓦時儲能電站項目更是將全釩液流電池推上了一個新臺階，這將成為全釩液流電池在儲能市場應(yīng)用的一個跨越式里程碑事件。
