钒电池如何工作？钒电池能在实用规模的存储上打败锂离子电池吗?

液流电池是一种蓄电装置，它是常规电池和燃料电池之间的交叉之处。金属盐的液体电解质被泵送通过一个由正极和负极组成的芯，并由膜隔开。在阴极和阳极之间发生的离子交换会产生电能。出现的最新技术是钒氧化还原电池，也称为 钒液流电池。最好的电池似乎来自 WattJoule，尤其是因为它们的成本比其他V-flow电池低很多。

V型液流电池是完全容器化的，不可燃的，紧凑的，可以在半无限循环中重复使用的电池，可以释放100％的存储能量，并且不会降解超过20年。地壳中的钒比锂多得多，并且我们每年产生的钒是锂的两倍。

大多数商用液流电池使用酸性硫和钒盐作为电解质；电极由石墨双极板制成。钒是保持腐蚀受控的几种有效活性材料之一。已尝试使用液流电池，其中包含的贵金属（例如铂金）也用于燃料电池。研究正在继续寻找低成本且容易获得的材料。

通过泵激活，液流电池在20kWh以上的容量中表现最佳。据说它们可提供10,000多个完整周期，使用寿命约20年。每个电池产生1.15–1.55伏；它们串联连接以达到所需的电压水平。电池的比能量约为40Wh/kg，类似于铅酸。与燃料电池类似，功率密度和加速速度适中。这使电池最适合用于大容量储能。电力传动系统和需要快速采取措施的负载均衡的需求更少。

电解液储存在槽中。为了增加能量密度，可以使用现成的储罐将储罐尺寸增加一倍，与新系统相比，估计成本仅增加50％。更换电池时，电解液可以重复使用，从而进一步节省了成本。问题区域是容易腐蚀且价格昂贵的膜。据说添加剂可以解决这个问题。图1说明了液流电池的概念。

图1：液流电池。

电解液储存在储罐中，并通过堆芯抽水发电。充电是相反的过程。电解液的体积决定着电池的容量。

钒是23次上元素周期表并在中国，俄罗斯和南非被开采。受太阳支持的内华达州中部可能很快会以严重氧化的碎石的形式出现。目前，90％的低品位钒用作增强钢的添加剂。电池科学家，矿业公司和政界人士对钒成为“绿色能源”的战略金属感到兴奋。根据德国亚琛的RWTH（2018），液流电池的成本约为每kWh350美元。

为了进行更精确的成本估算，将液流电池分为动力成本和能源成本。电力成本可能超过$1,500/kW，包括烟囱，泵，管道和电力电子设备。由储罐和电解液组成的能源成本略高于$300/kWh。

自1996年以来，日本已使用超过100kWh的大型液流电池。目前一些最大的装置具有几兆瓦的容量，并且日本正在安装用于频率调节的液流电池，其输出功率将高达60MWh。

朝着降低成本和减小尺寸的方向发展。与其建造类似于化工厂的巨型电池，不如将新型系统装入通常可堆叠的250kWh的容器中。现代液流电池在欧洲也很普遍。

1954年7月，氯化钛液流电池获得了第一项专利。如今，钒氧化还原电池由澳大利亚新南威尔士大学于1986年获得了专利。术语“氧化还原”来自还原和氧化的“电子转移”。

在TheArmchairTrader，我们认为全球向清洁能源的过渡将成为未来十年主要的投资主题之一，其规模可与1990年代的互联网革命或2010年代的智能手机相提并论。但是，储能仍然是一个大问题–即使有了所有这些新的能源，您如何确保在风不吹或太阳不照耀时社区获得电力呢？

一种解决方案是液流电池（有时也称为氧化还原液流电池）。它们是基于化学的能量电池，可以在电解质中而不是常规电池的电极材料中存储电荷。使用可充电液体的单液流电池可用于电网存储，并推出后可为从医院到矿山乃至城市的一切供电。

钒：在可再生能源中的重要作用

液流电池似乎将在全球可再生能源市场的发展中发挥重要作用，预计到2025年，其规模将达到1.5万亿美元。根据MarketsandMarkets的报告，液流电池市场的价值仅仅是2017年为1.87亿美元，预计到2023年将达到9.46亿美元。这意味着2018年至2023年的复合年增长率为32.7％。

钒电池技术因其高效率，卓越的能量密度以及最重要的是较长的使用寿命，对于储能的资本成本而言似乎至关重要。能源公司正在寻求这样的基础设施解决方案，以帮助他们建立一个廉价可靠地运行的电网，并且使用昂贵钒的电池可以持续使用数年。

低成本储能在未来几年将变得非常重要，钒氧化还原液流电池被认为是以局部方式有效储电的成本最低的方法之一。像手机桅杆一样，它们可能很快就会普及。

可扩展的解决方案，为未来提供动力

钒液流电池已经在扩大规模，以供公用事业使用-例如，中国的融科动力已参与建造了此类最大的电池之一，旨在容纳800兆瓦时的电量，这足够了为数千个家庭供电。

钒液流电池市场面临的挑战之一是全球产量–世界钒市场由数量有限的矿山维持，少数其他矿山即将上线。最终，这将使钒和钒开采公司获得溢价。

PineapplePower创始人ClivedeLarrabeiti指出：“钒具有很高的可回收性。”“钒矿工有可能长时间将材料租给电池使用者，然后将其带回以进行回收。”例如，这是它比锂具有的主要优势之一。”

钒在可扩展性方面也比锂电池更具优势：如果大型项目（如矿山，偏远地区或城市）将充分享受清洁能源技术的好处，那么钒液流电池更有可能解决这一问题。

钒电池市场似乎正在迅速发展：公司现在开始下订单。InvinityEnergySystems（AIM：IES）于6月15日宣布，自今年年初以来，已收到40辆容量约为1.7MWh的钒液流电池的已签署订单确认书。订单来自美国市政公用事业公司，一家亚洲储能项目开发商以及一家主要的全球零售链。

Invinity还指出，它参与了与一家美国公用事业公司一起使用240kWh电池模块的试验项目。有趣的是，在大流行爆发期间收到了许多此类订单，反映出公司和市政当局在采购存储容量时的紧迫性。

即使生产成本有所下降，我们已经看到钒价格又出现上涨趋势。BushveldMinerals（LON：BMN）一直在投资其钒加工能力，并寻求进一步的制造合作伙伴，这是其未来战略的关键部分。它希望减少对波动的钒价的依赖，钒价在第一季度在欧洲的交易价格约为20美元/千克（2018年金属价格为34美元/千克）。

PineapplePower的deLarrabeiti补充说：“钒电池市场目前处于新生状态，市场上的生产商和参与者很少，但是如果人口众多，就需要大规模生产这种技术。将来要充分享受清洁能源的好处。”

谁知道？

吸入大量钒会导致肺部疾病，例如支气管炎或肺炎。已经表明，接触过氧化钒的工人更容易受到眼睛，鼻子和喉咙的刺激。

钒在第一次世界大战中被用来制造便携式大炮和防弹衣。

在1996年发表在医学杂志《新陈代谢》上的一项研究中，向8位2型糖尿病患者提供了一个月的钒补充剂。它似乎在降低血糖水平方面取得了中度成功，几乎没有副作用。在第一周中，八名参与者中的六名出现了一些胃肠道问题，但是这些副作用在继续使用后消失了。

钒具有非常多彩的氧化态，包括紫色，绿色，蓝色和黄色。

1911年，德国化学家马丁·亨泽（MartinHenze）在海鞘的血细胞中发现了钒。

钒原子具有23个电子，28个中子和23个质子。

由于钒钢在高温下仍能保持其硬度，因此可用于圆锯，钻头，发动机涡轮和其他产生大量热量的运动部件。

钒可用于核用途的铀精炼过程中。

钒存在于少量的陨石中。

钒氧化还原液流电池（或钒液流电池）可能成为锂离子电池的宝贵替代品。钒液流电池可充电数千次而不会降解，因此非常适合需要大量循环的项目。钒液流电池不仅使用寿命长，而且非常耐用，可以容纳大量能量。钒液流电池也源自不易燃材料，因此对于大规模固定式应用而言，它们更安全，更可靠。这些特性使钒液流电池成为锂离子电池或铅酸电池的合法替代品，在某些情况下可替代锂离子电池或铅酸电池，用于大规模电池存储，特别是对于风能和太阳能发电场。

当前，钒主要用于汽车，齿轮和喷气发动机等产品中的钢合金。但是，它对能源部门的重要性正在迅速增长。仅在2018年，钒的价格就翻了一番以上，达到历史最高水平。去年（在某些情况下）“钒年”制造的矿物的需求和价格的增长加速了。

钒的提取和生产主要集中在四个国家：中国，俄罗斯，南非和巴西。但是，鉴于需求激增，北美的许多矿业公司都透露了计划投资于美国，加拿大和澳大利亚的勘探或重新开放已关闭的钒矿。例如，能源燃料公司宣布计划重新启动其在犹他州的钒生产。而在2019年3月，加拿大公司FirstVanadium将其在内华达州钒工厂的规模扩大了一倍。回收也是钒的重要来源，钒催化剂总量中多达40％来自回收材料。

钒液流电池的能量密度很低，这意味着它们很可能不会取代手机或电动汽车中的锂离子电池。但是，将其用于大规模的固定项目可能会改变能源转换的规则。

随着我们加速正在进行的能源转型并越来越依赖可再生能源存储技术，战略性矿物的透明和负责任的采购将变得更加必要。

低碳的未来即将到来，钒可能会发挥重要作用。