釩元素
釩，元素符號(hào) 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(xué)家塞夫斯特倫（Sefstrom N G，1787-1845）在研究斯馬蘭礦區(qū)的鐵礦時(shí)，用酸溶解鐵，在殘?jiān)邪l(fā)現(xiàn)了釩。因?yàn)殁C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(hào)V同時(shí)也賦予了這種元素Victory勝利的含義。
釩的化學(xué)性質(zhì)比較活躍，可以形成+5、+4、+3、+2多種價(jià)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(lán)色，VO2+呈黃色。
全釩液流電池原理
釩液流儲(chǔ)能電池是利用不同價(jià)態(tài)離子對(duì)的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化，其裝置主要由電堆系統(tǒng)、電源負(fù)載系統(tǒng)、電解液存儲(chǔ)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(jià)態(tài)的釩離子作為正、負(fù)極活性物質(zhì)，分別裝在兩個(gè)大儲(chǔ)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(chǔ)液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動(dòng)；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(xué)反應(yīng)，將電解液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，通過雙極板收集和傳導(dǎo)電流。在釩電池中，正極發(fā)生的是+4和+5價(jià)釩離子的氧化還原反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生的是+2和+3價(jià)釩離子的氧化還原反應(yīng)。正負(fù)極電化學(xué)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(fù)極：V3+ + e →V2 + E0=-0.26V
放電過程：
正極：VO2+ + 2H+ + e → VO2+ + H2O E0=1.00V
負(fù)極：V2+ - e → V3+ E0=-0.26V
完全放電態(tài)時(shí)（即SOC=0）：正半電池電解液為V（IV）的硫酸溶液，負(fù)半電池電解液為V（III）的硫酸溶液；完全充電態(tài)時(shí)（即SOC=1）：正半電池電解液為V(V)的硫酸溶液，負(fù)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(fù)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(diǎn)
1、 正負(fù)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(duì)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(chǔ)存容量取決于溶液的濃度和儲(chǔ)液箱的體積，對(duì)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(dòng)，在運(yùn)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(chǔ)存裝置相互獨(dú)立，由電池中的極少量電解液的擴(kuò)散所引起的自放電很?。?
8、 結(jié)構(gòu)簡單，更換和維修費(fèi)用低廉，對(duì)環(huán)境友好，是環(huán)保電池。
全釩液流電池技術(shù)優(yōu)勢(shì)
規(guī)模大：通過改變儲(chǔ)槽中電解液的量，能夠滿足太陽能、風(fēng)能發(fā)電過程大規(guī)模儲(chǔ)能容量需求；通過調(diào)整電池堆中正負(fù)半電池的對(duì)數(shù)和電極面積，滿足額定放電功率。
壽命長：電池正負(fù)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(xué)反應(yīng)，理論上可以進(jìn)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(shí)驗(yàn)電堆，經(jīng)過13000次循環(huán)充放電，驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和技術(shù)可靠性，其壽命遠(yuǎn)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(jìn)，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(shì)，電解液的成本隨著規(guī)?；a(chǎn)也將進(jìn)一步下降。同時(shí)，從全釩液流電池的使用壽命來看，其單位儲(chǔ)能成本在整個(gè)生命周期內(nèi)具有非常大的成本優(yōu)勢(shì)。
效率高：由于正負(fù)半電池電解液中的活性物質(zhì)分別儲(chǔ)存在不同的儲(chǔ)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(duì)儲(chǔ)能容量和放電功率分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，經(jīng)過優(yōu)化的電池系統(tǒng)充放電效率高達(dá)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(xiǎn)，即使將正、負(fù)極電解液混合也無危險(xiǎn)。
環(huán)境友好：電解液可以循環(huán)反復(fù)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(duì)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(fēng)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(fù)載平衡，保證智能電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；用于電動(dòng)汽車充電站，可避免電動(dòng)車大電流充電對(duì)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(fēng)力發(fā)電
風(fēng)能發(fā)電自身所固有的隨機(jī)性、間歇性特征，決定了其規(guī)?；l(fā)展必然會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來顯著影響，必須要有先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)作支撐。
研究表明，如果風(fēng)電裝機(jī)占裝機(jī)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?xì)鈾C(jī)組等手段基本可以保證電網(wǎng)安全；但如果所占比例達(dá)到20％甚至更高，電網(wǎng)的調(diào)峰能力和安全運(yùn)行面臨巨大挑戰(zhàn)。目前為了減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，每一臺(tái)風(fēng)機(jī)需要配備其功率4%的后備蓄電池。另外還需要大約相當(dāng)于其功率1%的蓄電池用于緊急情況時(shí)風(fēng)機(jī)保護(hù)收風(fēng)葉用。
電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電輸出平穩(wěn)性的要求已成為風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。隨著風(fēng)電的快速發(fā)展，風(fēng)電與電網(wǎng)的矛盾越來越突出。如果需要平滑風(fēng)電90％以上的電力輸出，需要為風(fēng)電場配置20％左右額定功率的儲(chǔ)能電池；如果希望風(fēng)電場還能具有削峰填谷的功能，將需要配備相當(dāng)于40-50%功率的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池；如果風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電，則需要更大比例的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能電池。
風(fēng)機(jī)現(xiàn)在使用的鉛酸電池容量小、壽命短、穩(wěn)定性差、維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、污染大，釩電池所具備的優(yōu)點(diǎn)，完全可以取代現(xiàn)有的鉛酸電池，成為風(fēng)電場動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能系統(tǒng)的主體。
中國風(fēng)電資源經(jīng)初步探明10米高空約10億kW，其中陸上風(fēng)電資源2.35億kW，沿海風(fēng)電資源7.5億kW；擴(kuò)展到50米高空，是20億～25億千瓦。國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2015年，全國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持強(qiáng)勁增長勢(shì)頭，新增裝機(jī)容量3297萬千瓦，再創(chuàng)歷史新高，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.29億千瓦，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的8.6%。這一數(shù)值也占到全球風(fēng)電裝機(jī)容量的1/4。然而自2010年開始,全國平均棄風(fēng)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(fēng)電項(xiàng)目的棄風(fēng)率更是高達(dá)60%以上。
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是我國的多數(shù)風(fēng)電場屬于“大規(guī)模集中開發(fā)、遠(yuǎn)距離輸送”，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行和控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。大容量儲(chǔ)能產(chǎn)品成為解決電網(wǎng)與風(fēng)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(huì)，披露《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出到2020年，全國風(fēng)電裝機(jī)達(dá)到2.1億千瓦以上，其中海上風(fēng)電500萬千瓦左右。即使按照風(fēng)電調(diào)控最低要求計(jì)算，5%的風(fēng)電儲(chǔ)能比例，2020年儲(chǔ)能電池的需求將達(dá)到1050萬kW；如果需要平滑90％以上的風(fēng)電輸出，儲(chǔ)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(huì)，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(jī)達(dá)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(huì)最新發(fā)布的報(bào)告顯示，截至今年9月底，全國并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機(jī)容量7075萬千瓦。按照這一數(shù)據(jù)計(jì)算，未來5年，我國太陽能發(fā)電裝機(jī)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(huì)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(jì)棄光電量為46.5億千瓦時(shí)，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(dá)到30.7%，新疆為22%。預(yù)計(jì)中國2010年光伏電池發(fā)電總?cè)萘窟_(dá)到25萬kW，2020年太陽能發(fā)電裝機(jī)容量計(jì)劃達(dá)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(duì)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(jī)組不能參與調(diào)峰，水電、燃?xì)獍l(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(huì)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(chǔ)能電池的作用是貯存太陽能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。光伏發(fā)電對(duì)儲(chǔ)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(qiáng)；d.充電效率高；e.少維護(hù)或免維護(hù)；f.工作溫度范圍寬；g.價(jià)格低廉。
目前與光伏發(fā)電相配套的儲(chǔ)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(chǔ)能電池將作為未來光伏發(fā)電儲(chǔ)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(gè)水庫，受地理?xiàng)l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(hù)成本高。
為應(yīng)對(duì)城市尖峰負(fù)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(shí)的尖峰負(fù)荷，僅對(duì)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(chǔ)能電池應(yīng)對(duì)城市尖峰負(fù)荷，不受地理?xiàng)l件限制，選址自由，占地少，維護(hù)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(jī)房需要蓄電池作為后備電源，且時(shí)間通常不能少于10小時(shí)。對(duì)通訊運(yùn)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?zé)o法比擬的先天優(yōu)勢(shì)。
釩電池和鉛酸電池相比，在網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯：壽命長，維護(hù)簡單，能量存儲(chǔ)穩(wěn)定、控制精確、自放電少，可便捷調(diào)整能量的存儲(chǔ)量，總體使用成本低。 釩電池在通信應(yīng)用中能量存儲(chǔ)成本低的優(yōu)勢(shì)明顯。通信網(wǎng)絡(luò)中的基站動(dòng)力系統(tǒng)中通常使用柴油發(fā)電機(jī)，在停電時(shí)提供長時(shí)間動(dòng)力。柴油機(jī)在備用動(dòng)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(jī)械維護(hù)以保證其可靠性；在實(shí)際應(yīng)用中，柴油機(jī)的利用率很低，因此其單位時(shí)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(hù)。
釩電池完全可以替代動(dòng)力系統(tǒng)中的鉛酸電池和柴油機(jī)的動(dòng)力組合，提供高可靠性的直流電源的能量存儲(chǔ)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(jìn)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(hù)量，減少成本，提高生產(chǎn)率。
5、UPS電源
中國經(jīng)濟(jì)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(duì)UPS產(chǎn)生了持續(xù)的需求。釩電池相對(duì)于鉛酸電池，在功率、安全穩(wěn)定性、使用壽命上都有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
釩電池作為一個(gè)單一的能源存儲(chǔ)元件可以針對(duì)不同需求同時(shí)提供多種不同的電壓，相對(duì)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(duì)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(shí)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(xué)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(diǎn)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(hào)污染源。大力發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的電動(dòng)汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車，已成為了人們的共識(shí)。釩電池的大容量、大電流充放、同時(shí)充放的特點(diǎn)技術(shù)，可以作為電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)船舶等電動(dòng)設(shè)備的理想充電電源
全釩液流電池開發(fā)進(jìn)程
開發(fā)階段：全釩液流電池研究始于20世紀(jì)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(xué)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(jí)全釩液流電池堆。該電池堆由10個(gè)單電池組成，能量效率可達(dá)72%-88%。標(biāo)志著全釩液流電池開始走出實(shí)驗(yàn)室，邁向工程化研發(fā)階段。
驗(yàn)證階段：全釩液流電池工程發(fā)展的第二個(gè)階段主要集中在日本。從20世紀(jì)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(shí)驗(yàn)性電堆。通過對(duì)電堆關(guān)鍵材料和工程設(shè)計(jì)進(jìn)行深入探索，逐步把全釩液流電池系統(tǒng)推向商業(yè)化驗(yàn)證并試運(yùn)營階段。
商業(yè)化階段：自2010年以來，隨著儲(chǔ)能需求的爆發(fā)式增長，全釩液流電池的商業(yè)化進(jìn)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(chǔ)能電池，并推動(dòng)多個(gè)商業(yè)化示范項(xiàng)目。其中推進(jìn)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(shí)全釩液流電池電站。該電站已于2015年底投入運(yùn)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(xiàng)目的成功實(shí)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(shí)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。該項(xiàng)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(gè)4.5兆瓦/18兆瓦時(shí)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目。
歐盟：以德馬吉為代表。德馬吉公司儲(chǔ)能業(yè)務(wù)始于奧地利，2008年首次推出全釩液流電池儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在光伏、風(fēng)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(chǔ)能為代表。2013年5月，融科儲(chǔ)能設(shè)計(jì)建造的5兆瓦/10兆瓦時(shí)全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在國電龍?jiān)磁P牛石50兆瓦風(fēng)電場成功并網(wǎng)運(yùn)行。相繼實(shí)施的位于錦州的風(fēng)電并網(wǎng)用3兆瓦/6兆瓦時(shí)儲(chǔ)能項(xiàng)目也是我國探索儲(chǔ)能商業(yè)模式的重要案例。2016年10月8日，融科儲(chǔ)能簽訂的200兆瓦/800兆瓦時(shí)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目更是將全釩液流電池推上了一個(gè)新臺(tái)階，這將成為全釩液流電池在儲(chǔ)能市場應(yīng)用的一個(gè)跨越式里程碑事件。
