中国钒电池工业化进展

中国钒电池工业化进展

中国工程物理研究院
从1995年率先在国内开始钒电池的研制。

先后研制成功了20W、100W、500W的钒电池样机，在钒电池的关键技术上有所突破，填补了国内空白。

成功开发了四价钒溶液制备、导电塑料成型及批量生产、中型电池组装配和调试等技术。

1998年，500w的钒电池样机用于电瓶车的驱动。现已研制出800W的产品样机。

主要参数如下： 单体数：10个 电极面积：784cm2； 单体电池厚度：13mm；

电解液浓度：1.5M VOSO4+2M H2SO4；电解液量：10L；理论容量：200Ah；

最大充电电流：80A（电流密度102mA/cm2）；

充电电压（50%充电状态）：40A充电电压为15.0V，80A充电电压为16.5V；

充电容量：40Ah；最大放电电流：80A（电流密度102mA/cm2）；

放电电压（50%放电状态）：40A放电电压为11.5V， 80A放电电压为10V；

放电容量：30Ah；充放电利用率：≥80%；电堆最大功率：≥800W。

大连化学物理研究所

研究开发的全钒液流储能电池示范系统，自2007年7月6日以来已自动无故障连续运行105天，超过2500小时。该示范系统由千瓦级电池模块、系统控制模块和LED屏幕三部分组成。利用该系统可实现利用储能电池储存夜间电能，在日间对LED屏幕进行供电的过程。电池的能量效率为87％，截止目前未见衰减。
      全钒液流储能电池是一种电能储存装置，主要由电池模块、电解质溶液和电解质储存输送体系、以及控制系统等三个部分组成。电池模块由数十至数百节单电池按照压滤机方式组装而成。正、负极电解质溶液分别储存在两个储罐中，分别由泵驱动流经电池的正极和负极，进行电化学氧化和还原反应，实现充、放电过程。每个电池模块的输出功率由电极的面积和单电池的节数决定；通过对电池模块进行串、并联实现电池系统的目标输出功率。系统的储能容量由电解质溶液的量决定。因此，电池系统的输出功率和储能容量可独立设计。与其它化学储能技术相比全钒液流储能电池在规模储能方面具有独特的优势：能量效率高；蓄电容量大，可达百兆瓦时；容量和功率相互独立，系统设计灵活；电池的可靠性高，可深度放电；系统选址自由；电池的大部分部件材料可循环使用；系统运行和维护费用低；特别是具有运行安全和环境友好的优点。由于在成本、效率和安全等方面具有突出的优点，因而是大规模储能技术的首选之一。
      我所全钒液流储能电池的研究工作得到了国家科技部“863”高技术计划、博融（大连）产业投资公司、以及大连市经委的经费支持。除上述进展外，我们还在电池储能容量衰减机理的研究，提高电池容量的稳定性，以及大功率电池模块结构的设计和优化等方面均取得进展。最近，我们研制的第三代5千瓦级电池模块的充、放电能量转换效率超过80％。

其在2006年3月29进行了十千瓦钒电池鉴定

3月29日在大连通过了由科技部组织的专家组验收和辽宁省科技厅主持的成果鉴定。
         与会专家一致认为，研制的全钒氧化还原液流储能电池的额定输出功率达到10.1千瓦，最大放电功率达23.9千瓦，系统运行稳定，能量效率80.4%。按时超额完成了项目任务书规定的考核指标，该技术达到国内领先、国际先进水平。
         据专家介绍，我国大规模利用太阳能、风能等可再生能源将进入一个新的发展时期。风能、太阳能等可再生能源发电具有不稳定和不连续的特点，需要开发和建设配套的电能储存（蓄电）装置或电站来保证发电、供电的连续性和稳定性，研究高效储能技术，实现能源多样化成为当今科学家研究的重大课题。
         针对国家需求，在上个世纪90年代末研究了铁-铬液流储能电池。2000年以来，又开始了多硫化钠/溴液流储能电池及全钒液流储能电池的研究开发，通过国家“863”后续能源领域的支持，在电极设计制备、双极板设计制备、电解质溶液分配、电池组公用管道设计、电池组装及系统设计与集成技术等方面取得重大进展，成功地开发出10千瓦级全钒液流储能电池系统 。

简评：上述这两家在钒电池研究中都取得了相应的进展，但是在工业化过程中，产品的稳定性和可靠性是其面临最重要的问题，这也是这两家迟迟没有推出正式产品的原因，当然，这也与这两家单位自身的科研性质有关。

北京普能世纪科技有限公司

  钒电池技术研究的主要趋势与任务是：针对目标应用的技术要求，进行关键技术攻关，推进产业化应用。由于V(V)离子所具有的特殊氧化性，材料技术成为钒电池发展的关键。

      (1)电极材料：要求具有稳定性、大的比表面积和电化学活性。Pt, Au, Ti上镀氧化铱用作电极，稳定性和活性俱佳，但成本过高。聚丙烯腈(PAN)石墨毡的技术性、经济性较好，是钒电池的主流电极材料。而与石墨毡电极配合的集流体，与电解液直接接触，承载较大的电流密度，对导电性和耐腐蚀性要求较高。石墨板作集流体，机械强度低，且易发生溶胀剥层。碳/聚合物导电复合材料具有良好的机械性能和导电性，显示了较好的应用前景，但导电性随使用时间衰减，亟待进一步研究改进。
 
      (2)隔膜材料：Nafion系膜材料的化学稳定性好，但价格昂贵，且水渗透性等性能不够理想。以价格较低廉的国产化商品隔膜进行改性处理，是较可行的技术出路，现已经开发了具有实际意义的技术。
 
      (3)电解液：由VOSO4直接溶解配制，不具经济意义。由V2O3氧化制备的成本亦过高。较实际可行的制备方法主要是基于V2O5的还原溶解，包括化学法和电解法。化学法产率低，所加入的添加剂难以除去，影响电极反应。现行的电解法制备速度和电流效率低，难以适应产业化发展。这两种方法都需要进一步的实用化研究。
钒电池的研发主要分为电堆集成技术、关键材料研发以及电解液制备技术。普能公司经过不断努力，在上述三方面都已取得重大成果，占据了国际领先地位。
 
      电堆集成方面，普能公司已设计和研制了系列化的50W～5kW钒电池样机，样机密封性好，加工装配工艺简捷。公司已申请专利：一种大功率液流电池装置的电堆结构，专利申请号：200710105754.3。
 
      关键材料研发方面，普能公司研制开发了具有较大比表面和较高机械强度的电阻率小于0.1Ωcm的多孔陶瓷电极材料。普能研发团队研制的塑料+导电物质的双极板材料，导电性能好，机械强度高，采用与电极框同类的材料便于密封；电导率在15 siemens以上。
 
      钒电解液制备方面，普能公司拥有从石煤矿直接提取钒电解液的技术，并已申请国家专利：一种从石煤制备钒电池用高纯度电解液的方法，专利申请号：200710122837.3。
 
简评：普能公司是中国第一家致力于钒电池储能技术的企业，在旗下相对集中国内钒电池研发的人员，对钒电池工业化在国内的推动起了非常积极的作用，是钒电池产业中最具潜力的公司之一。
 
 
清华大学
 
北京科技大学
 
中南大学
上述三所院校也对钒电池进行研究的报道，对于钒电池在某些领域的技术推动有积极的意义。