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从这里读懂全钒液流电池

2016-1-29 15:14| 发布者: 书书爱材料| 查看: 4338| 评论: 10|来自: 材料人网
摘要: 最近,全钒液流电池似乎在网上在又火了一阵,尤其是国内在宣传在全钒液流电池领域技术领先,吸引了不少人的目光。不过,跟锂离子电池和燃料电池相比,大众对这个家伙还是很陌生的。下面我们新能源学习小组就给大家叨 ...
最近,全钒液流电池似乎在网上在又火了一阵,尤其是国内在宣传在全钒液流电池领域技术领先,吸引了不少人的目光。不过,跟锂离子电池和燃料电池相比,大众对这个家伙还是很陌生的。下面我们新能源学习小组就给大家叨叨它是个啥玩意。

首先,我们要解决什么是液流电池。所谓液流电池,又叫氧化还原液流蓄电系统,最早可以追溯到1974年受NASA资助的项目。跟蓄能电池的老前辈铅蓄电池比起来,液流电池还是个年轻后生。

我们通常了解的蓄电池是有阴极阳极,活性物质被包容其中。而液流电池的活性物质以液态形式存在的,储存在两大储液罐中 ,各由一个泵使溶液流动,在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。大致原理示意图就如下图。
 

从这个介绍,你或许就能明白我们日常生活中好像见不到全钒液流电池:一方面技术上不太成熟,另一方面不适用于普通3C产品供能设备。

那它用在何处呢?不着急,我们先了解全钒液流电池再说!

结构与工作原理

钒电池结构与简单工作原理主要如下图所示。其包括正负两极的电解液罐、水泵以及中间的电堆。电堆中包括端片(绝缘框架)、集流体(主要为铜)、石墨片、碳/石墨毡电极及离子交换膜。其中电极材料和离子交换膜是两个最重要的部分。

工作时,正负两极的电解液罐分别含有V4+、V5+和V2+、V3+的水溶液。外接泵将两极的电解液压入电池堆体内,在半电池和储液罐循环流动,中间加上隔膜。当外加电压时,利用电解液流经正负电极表面发生的氧化还原反应储能。

 
图1 钒电池结构原理图


电解液

全钒,顾名思义,其电解液均为含有钒离子的溶液。电解液的制备方法主要有三种:物理溶液法,化学还原法及电解法。

物理溶液法主要将高纯VOSO4溶解于H2SO4中。在早期的电解液制备研究中主要利用这种方法,但VOSO4价格昂贵,不利于大规模使用。

化学还原法是利用还原剂和高价的钒氧化物或钒酸盐发生氧化还原反应来制备电解液。该方法操作简单,反应速率快,制备时间短。但固体难于溶液,不能完全反应。

电解法广泛使用于规模化生产,主要利用加直流电流的方法让V2O5发生氧化还原反应。该方法操作简单,获得电解液纯度高,是大规模制备高钒离子电解液的主要途径。

常规的溶液硫酸常与钒离子形成长链状化合物,影响其稳定性,故需要对电解质优化,常用的方法有加入添加剂和更换新体系。

电极

电极材料是钒电池至关重要的一部分,对其进行的研究也是最深入的。现阶段,电极材料分为金属类、碳素类和复合型电极。

金属材料导电性好,机械强度高,最开始受研究者们的关注,主要包括金、铂、钯、铅、钛及氧化铱等。但其成本偏高且易钝化,不适于大规模生产,故而碳材料越来越成为研究的重点。碳 素类电极材料主要包括石墨、石墨毡 、玻碳 、碳布和碳纸。同时,电极材料另一个研究重点是将石墨毡与塑料电极板形成的一体化复合电极。

自1989年以来进行的对电极材料的研究如图2所示。

图2 钒电池电极材料的研究历史进展

离子交换膜

离子交换膜主要用于防止正负极短路且保持离子浓度平衡,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,但其合成步骤繁琐,价格昂贵,且钒离子渗透率和透水率较高通过全氟乙烯接枝可适当提高其性能。

非含氟膜上,如磺化聚芳醚酮,其钒离子透过率较低,故组成的电池可实现较高的库伦效率和能量效率。

介绍完钒电池的基本单元之后,我们再来看看它与其他蓄电池相比的“神通”之处在哪!

首先,钒电池的功能非常灵活,功率和容量可以独立设计。输出功率取决于电堆,可通过改变单电池数量或电极的表面积来调节。而容量主要取决于钒离子的量,可通过调节电解液的体积和钒离子浓度实现。

其次,环境适应能力较高电池性能受温度影响很小,当温度恢复时,电池容量也可以完全恢复。该系统可全自动封闭工作,不会产生酸雾及废旧电解液。

第三,理论上安全性高。因其活性物质存在于电解液中,不会引起物象变化,可深度放电而不影响电池寿命。另外,其反应过程不产生H2等气体,无爆炸危险,也不会有短路的问题。

第四,寿命长。深放电循环性能强,过放电后再充电,容量很容易恢复,而且超深度放电不引起电池的不可逆损伤,通常循环次数大于16000 次,寿命可达 15-20 年。

有鉴于此,它的主要应用场景是大型储能系统中,大致有以下几个方面:

1. 风力发电。风机的离网发电所需蓄电池完全可以由液流电池代替。

2. 光伏发电储能及各种供电设备。将大型的钒电池与光伏太阳能电池组合应用,实现有效地能源转化和存储。如图3的系统整体运作图所示。

3. 电动汽车。因其充电能力强,可深度放电,且更换方便快捷,有望成为电动汽车的供能设备。不过,鉴于锂离子电池的成熟体系,钒电池要有所作为还是有难度。

4. 通讯基站。通讯基站和通讯机房需要蓄电池作为后备电源,且时间通常不能少于10h。

5.电网调峰。目前电网调峰的主要手段是抽水储能电站,由于抽水储能电站受地理条件限制,维护成本高,而钒电池储能电站选址自由,维护成本低。

说了那么多,是不是觉得全钒液流电池是解决风电、光伏储能perfect choice?

这话说得太早。在储能系统应用上,全钒液流电池不是目前唯一的发展方向。我们看看它跟竞争对手的各项指标对比(数据来源于:蒋凯等. "几类面向电网的储能电池介绍." 电力系统自动化 37.1(2013):47-53.)

从表中可以看到,全钒液流电池的储能成本还是相对较高的。这给大规模应用带来了困难。而且全钒液流电池还存在电解液、 离子交换膜等关键材料的制约。最终有多大发展,还得看技术和市场。

图3 钒电池的应用

材料人网新能源学习小组孙鹏供稿,材料人网编辑整理。
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