具有强大魅力的新型电池——钒电池

钒电池（VRB）是一种可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。VRB作为一种化学的能源存储技术，和传统的铅酸电池、镍镉电池相比，它在设计上有许多独特之处，性能上也适用于多种工业场合。比如可以替代油机、备用电源等。利用VRB技术设计制造的VESS系统（VanadiumEnergyStorageSystem，即钒能源存储系统），其设计和操作特性在VRB的基础之上被优化，而且集成了许多自动化的智能控制和用于管理操作的电子装置。简单地说，钒电池将存储在电解液中的能量转换为电能，这是通过两个不同类型的、被一层隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现的。电解液是由硫酸和钒混合而成的，酸性和传统的铅酸电池相同。

由于这个电化学反应是可逆的，所以VRB电池既可以充电，也可以放电。充放电时随着两种钒离子浓度的变化，电能和化学能能相互转换。VRB电池由两个电解液池和一层层的电池单元组成。电解液池用于盛两种不同的电解液。每个电池单元由两个半单元组成，中间夹着隔膜和用于收集电流的电极。两个不同的半单元中盛放着不同离子形态的钒的电解液。每个电解液池配有一个泵，用于在封闭的管道中为每一个半单元输送电解液。

当带电的电解液在一层层的电池单元中流动时，电子就流动到外部电路，这就是放电过程。当从外部将电子输送到电池内部时，相反的过程就发生了，这就是给电池单元中的电解液充电，然后再由泵输送回电解液池。

在VRB中，电解液在多个电池单元间流动，电压是各单元电压串联形成的。标称电压是1.2V。电流密度由电池单元内电流收集极的表面积决定，但是电流的供应取决于电解液在电池单元间的流动，而不是电池层本身。VRB电池技术的一个最重要的特点是：峰值功率取决于电池层总的表面积，而电池的电量则取决于电解液的多少。在传统的铅酸和镍福电池中，电极和电解液被放置到一块，功率和能量强烈地依赖于极板面积和电解液的容量。但VRB电池不是这样，它的电极和电解液不一定必须放到一块，这就意味着能量的存放可以不受电池外壳的限制。从电力上来讲，不同等级的能量可以为电池层中不同的电池单元或单元组中通过供应足够的电解液来得到。给电池层充电和放电不一定要相同的电压。

例如，VRB电池可以用串联电池层的电压放电，而充电则可以在电池层的另一部分用不同的电压进行。

钒电池有重要优点如下：

1.功率大：通过新增单片电池的数量和电极面积，即可新增钒电池的功率，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：通过任意新增电解液的体积，即可任意新增钒电池的电量，可达吉瓦时以上；通过提高电解液的浓度，即可成倍新增钒电池的电量。

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，防止了正、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。

钒电池电堆的优势：

一、电堆作为发生反应的场所与存放电解液的储罐分开，从根本上克服了传统电池的自放电现象。功率只取决于电堆大小，容量只取决于电解液储量和浓度，设计非常灵活；当功率一按时，要新增储能容量，只要增大电解液储罐容积或提高电解液体积或浓度即可，而不需改变电堆大小；可通过更换或添加充电状态的电解液实现瞬间充电的目的。可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站，适应性很强。

二、充、放电性能好，可以进行大功率的充电和放电，也可以允许浮充和深度放电。对铅酸蓄电池来说，放电电流越大，电池的寿命越短；放电深度越深，电池的寿命也越短。而钒电池放电深度即使达到100％，也不会对电池造成影响。而且钒电池不易发生短路，这就防止了因短路而引起的爆炸等安全问题。

三、可充放电次数极大，理论上寿命是无数次。充放电时间比为1：1，而铅酸电池是4：1。而且钒电池充、放切换响应速度快，小于20毫秒，非常有利于均衡供电。

四、能量效率高，直流对直流能量效率可以达到80％以上，而铅酸电池只有60％左右。钒电池组中的各个单位电池状态基本一致，维护简单方便。

五、选址自由度大，占地少，系统可全自动封闭运行，不会出现酸雾，没有酸腐蚀。电解液可反复利用，无排放，维护简单，操作成本低。是一种绿色环保储能技术。因此有关可再生能源发电，钒电池是铅酸电池理想的替代品。

钒电池的发展前景:

钒电池是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一（它的制造、使用及废弃过程均不出现有害物质），它具有特殊的电池结构，可深度大电流密度放电；充电迅速；比能量高；价格低廉；应用领域十分广阔：如可作为大厦、机场、程控交换站备用电源；可作为太阳能等清洁发电系统的配套储能装置；为、远洋轮船供应电力以及用于电网调峰等。

钒电池成本与铅酸电池相近，它还可制备兆瓦级电池组，大功率长时间供应电能，因此钒电池在大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可比拟的性价比优势。钒电池生产工艺简单，价格经济，电性能优异，与制造复杂、价格昂贵的燃料动力锂电池相比，无论是在大规模储能还是电动汽车动力电源的应用前景方面，都更具竞争实力。

钒电池是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一，与蓄电池相比，它的制造、使用及废弃过程均不出现有害物质。与锂离子电池相比，钒电池的生产成本更低，接近蓄电池。而钒电池最大的优点则是储能效果好，可大功率长时间供应电能，假如把钒电池的输出功率比喻成一辆火车，那么铅酸电池、锂离子电池的输出功率则分别是一辆卡车、小轿车。

我国是全球钒资源储量大国，钒重要集中在四川，占全国储量的62.2％。据了解，即将出台的十二五钒钛资源综合利用及产业基地规划将重点发展钒电池。目前钒电池技术基本成熟了，千瓦级的产品已经在产业化的生产阶段。

据了解，钒电池在风力发电、光伏发电、电网调峰、电动汽车等等领域有着非常广阔的应用前景。券商初步估算，我国的钒电池市场规模将达1.6万亿元。

在日本核后，世界各国对的建设更加谨慎，我国暂停批准新的上马，德国更是宣布在2022年前关闭所有的。太阳能和风能等新能源再度成为人们关注的领域，而作为风能和太阳能发电最为优质的储能设施，钒电池的产业化应用将正登上历史舞台，大战拳脚。

据权威机构统计，近几年全球光伏组件的年均上升率高达30％，光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一。最近，有消息指出2015年我国光伏发电装机总量目标为10吉瓦。仅从风电市场的应用来看，2020年我国风机装机容量将达1.5亿千瓦，按10％～20％的配套储能计算，市场规模将达数千亿元。

电荒的蔓延倒逼着智能电网建设的推进，其中储能技术的应用将得以快速发展。目前在智能电网中的示范性项目中，多项储能技术已获应用，包括铅酸蓄电池、钒电池、钠硫电池等。由于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用途。

在电动汽车领域，钒电池也有其自身优势。据了解，假如电动汽车上使用新型钒电池，一次性充电3分钟―5分钟后，续航能力可达1000公里；而成本造价只有目前锂离子电池的40％，体积和重量分别是锂离子电池的1/25和1/10。

日前，海南省和波恩项目投资有限公司、德国TUG新传动技术有限公司签署战略合作协议，将引进德国大众汽车品牌与高效能钒动力锂离子电池项目，在海南建设面向国际的电动汽车产业和钒动力锂离子电池配套的生产基地。据了解，钒电池充放电次数超过10万次，使用寿命达到10年以上，钒电池可以几乎无限制地多次充放电，不造成储能材料的衰减，可以说是没有寿命限制。因为具有无可比拟的优点，钒电池将在风电、光伏发电、电网调峰、电动汽车等多领域应用中领跑电池家族。