全釩液流電池教學(xué)課件

1、全釩液流電池 1.釩電池的工作原理2.釩電池的特點(diǎn)3.釩電池的組成4.釩電池的材料5.釩電池的應(yīng)用領(lǐng)域 第1頁，共22頁。全釩液流是液流電池（也稱氧化還原液流蓄電系統(tǒng)）家族中的一員。液流電池最早由美國航空航天局（NASA）資助設(shè)計(jì)。1974年由H.L.Thaller公開發(fā)表并申請了專利。30年來，多國學(xué)者通過交換2個(gè)氧化-還原電對(duì)，提出了多種不同的液流電池體系。全釩氧化還原液流電池（VRB）的原理最早在 1984 年，由新南威爾士大學(xué)的 Maria Skyllas-Kazacos 等研究人員提出，之后經(jīng)技術(shù)轉(zhuǎn)讓和發(fā)展，在澳大利亞、 日本和加拿大得到深入研究第2頁，共22頁。 1.釩液流電池的原

2、理釩液流電池利用釩有5+、4+、3+和2+多種價(jià)態(tài)，可形成相鄰價(jià)態(tài)的電對(duì)的特點(diǎn)組成電池，電解質(zhì)作為只傳導(dǎo)離子的非電子導(dǎo)體，其內(nèi)部的電荷平衡是通過溶液中H+在離子交換膜兩側(cè)的遷移來完成。，標(biāo)準(zhǔn)電位差約為1.25.正極由5+/4+電對(duì)組成 :負(fù)極由3+/2+電對(duì)組成 :具有不同價(jià)態(tài)的釩離子溶液分別作為正極和負(fù)極的活性物質(zhì)，分別儲(chǔ)存在各自的電解液儲(chǔ)罐中。在對(duì)電池進(jìn)行充、放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，電解液通過泵的作用，由外部貯液罐分別循環(huán)流經(jīng)電池的正極室和負(fù)極室，并在電極表面發(fā)生氧化和還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電 第3頁，共22頁。第4頁，共22頁。釩電池利用不同價(jià)態(tài)的釩離子的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)電能和化學(xué)能的轉(zhuǎn)換，具

3、有以下8個(gè)主要特點(diǎn)：電池的功率和容量可以分開設(shè)計(jì)，增加容量方便；自放電率低，長時(shí)間儲(chǔ)存，釩電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)達(dá)到兆瓦級(jí)；過放電能力強(qiáng)；釩電池的電解液循環(huán)流動(dòng)，消除了熱失控和電化學(xué)極化的問題，實(shí)現(xiàn)大電流充放電；溫度對(duì)釩電池的影響相對(duì)??；循環(huán)壽命長；電解液循環(huán)使用，減少環(huán)境污染；成本低和維護(hù)簡單等。2.釩液流電池的特征 第5頁，共22頁。電池系統(tǒng)組裝設(shè)計(jì)靈活，易于模塊組合活性物質(zhì)以液體狀態(tài)貯存于電堆外的儲(chǔ)液罐中，電池容量取決于外部活性物質(zhì)濃度和容量多少；功率輸出和能量儲(chǔ)存是相互獨(dú)立的。充/放電可通過 簡單增加電解液體積來實(shí)現(xiàn)第6頁，共22頁。釩液流電池具有的特征 電池系統(tǒng)易于維護(hù)，安全穩(wěn)定電池的反應(yīng)不

4、存在固相反應(yīng)，容易保證電堆的一致性和均勻性電池的電解液均置于相同的儲(chǔ)液罐中，兩個(gè)電池的放電狀態(tài)是相同的 其工作溫度為室溫條件，系統(tǒng)安全穩(wěn)定第7頁，共22頁。3. 釩液流電池的組成 釩電池主要由電堆、控制系統(tǒng)和電解液組成 第8頁，共22頁。單個(gè)電池由電極、隔膜、雙極板和板框組成。單個(gè)電池組裝成電堆。釩電池的電極材料有石墨氈和碳?xì)种?。燒制溫度高、石墨化程度高的產(chǎn)品，就可以叫做石墨氈；而燒制溫度低一些或者低很多、石墨化程度相對(duì)低的產(chǎn)品，就可以叫做碳?xì)?。石墨?碳?xì)职凑赵牧系牟煌饕譃榫郾╇婊驼衬z基兩大類。第9頁，共22頁。（1）電堆 電堆是釩電池系統(tǒng)的核心部分，它是電化學(xué)反應(yīng)的場所和實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)

5、能系統(tǒng)電能喝化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的場所。電堆對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的成本、功率、循環(huán)壽命、效率和維護(hù)等性能均有至關(guān)重要的作用。電堆由集流體、液流框、電極和隔膜組成。將組裝好的釩電堆與電解液儲(chǔ)液罐相連，形成充放電回路，循環(huán)泵使得電解液不斷地循環(huán)流動(dòng)，釩電池組就能進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。（2）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)主要包括充放電控制系統(tǒng)和泵循環(huán)系統(tǒng)。充放電控制系統(tǒng) 充電控制系統(tǒng)主要由直流交換模塊和均流控制電路組成，將太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電轉(zhuǎn)換成釩電池系統(tǒng)的化學(xué)能；放電控制系統(tǒng)是通過逆變器將釩電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，供用電系統(tǒng)使用。第10頁，共22頁。泵循環(huán)系統(tǒng) 泵循環(huán)系統(tǒng)為釩電池提供基本的運(yùn)行條件。泵選用直流泵且耐酸

6、腐蝕。（3）電解液 電解液是釩電池中起電化學(xué)反應(yīng)的活性物質(zhì)，要求其具有較高的穩(wěn)定性和電導(dǎo)率。確定電解液的純度并對(duì)關(guān)鍵雜質(zhì)的含量進(jìn)行控制是非常重要的。此外，還需要向電解液中加入某些適量的穩(wěn)定劑，以提高電解液的長期穩(wěn)定性、溫度適應(yīng)范圍等。（4）隔膜 釩電池隔膜的作用是將正負(fù)半電池中的電解液分開，只讓H+自由通過。理想的隔膜應(yīng)具備離子不滲透、H+遷移速度快、而電阻小、耐腐蝕、耐氧化和壽命長等性能。第11頁，共22頁。 4.釩電池的材料釩電池所用的材料包括集流體、膜材料和電解液等。（1）雙極板 雙極板主要選用石墨板和導(dǎo)電塑料。石墨板 石墨板具有導(dǎo)電性好和大電流充放電等優(yōu)點(diǎn)，但是缺點(diǎn)很明顯：石墨板易刻蝕

7、，尤其在過充的條件下，容易被電化學(xué)腐蝕；如果嚴(yán)重時(shí)被電化學(xué)腐蝕穿透，導(dǎo)致釩電池正、負(fù)極電解液串液，這將影響釩電池的使用壽命；石墨板價(jià)格貴、脆性大等。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重影響了石墨板在釩電池中的應(yīng)用。導(dǎo)電塑料 導(dǎo)電塑料具有密度小、易加工成型、成本低和適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)等特點(diǎn)，因此導(dǎo)電塑料集流體是未來研究發(fā)展的熱點(diǎn)。常用的膜材料有Daramic膜、Nafion膜和Selemion AMV等。雙極板，一方面起到導(dǎo)電的作用，也就是把相鄰的正極和負(fù)極連接起來（這時(shí)候功能就像導(dǎo)線一樣）；另一方面起到分隔正負(fù)極電解液的作用。第12頁，共22頁。（2）膜材料 隔膜是親水性的，即允許H+自由通過，又要求必須抑制正負(fù)極電

8、解液中不同價(jià)態(tài)的釩離子的相互混合，以避免電池內(nèi)部短路，同時(shí)具有良好的導(dǎo)電性和選擇性。離子交換膜一般選用交換H+的氧離子交換膜。Nafion材料是釩電池的常用的隔膜材料，不足之處在于它的價(jià)格昂貴，其成本占整個(gè)電堆的60%70%，因此隔膜材料的國產(chǎn)化合氣體隔膜的改性處理是釩電池隔膜的發(fā)展方向和解決重點(diǎn)。（3）電解液材料 釩電池的電解液由不同價(jià)態(tài)釩的離子溶液和支持電解質(zhì)組成，其正極物質(zhì)為V（）/V（）溶液，負(fù)極物質(zhì)為V（）/V（）溶液。釩電池的溶液既是電極活性物質(zhì)，又是電解液，要求能夠長期穩(wěn)定存在，同時(shí)化學(xué)活性高。增大釩溶液的穩(wěn)定性主要有兩種方法：一種是提高溶液的酸度；另一種是加入添加劑，如EDTA

9、、吡啶和明膠等。溶液濃度適當(dāng)提高和尋求適當(dāng)?shù)奶砑觿┦氢C電池溶液的重要研究方向。第13頁，共22頁。制備電解液的方法主要有兩種：混合加熱制備法和電解法?；旌霞訜岱ㄟm合于制取1mol/L電解液，電解法可制取35mol/L的電解液?；旌霞訜嶂苽浞ㄊ菍2O3在H2SO4中溶解活化，然后用還原劑使V（）還原為V（）或V（）即可得到。利用亞硫酸還原取得了較好效果。電解法采取隔膜電解法以及通過電解V2O3和NH4 VO3兩種方法。釩電池電解液通常硫酸濃度為1.55molL-1，釩離子的濃度從12.5molL-1第14頁，共22頁。充電結(jié)束時(shí)，正極為淡黃色的V5+，負(fù)極為紫色的V2+，放電完成時(shí)，正極為正極

10、為藍(lán)色的V4+，負(fù)極為淺綠的V3+所以可以通常利用電解液的顏色判斷充放電狀態(tài)，在充放電過程中，負(fù)極需要密封，防止氧化釩電池個(gè)價(jià)態(tài)電解液的顏色以及電池運(yùn)行過程第15頁，共22頁。5.全釩液流電池研發(fā)VRB Power System住友電工關(guān)西電力（株）清華大學(xué)大連化物所發(fā)明者中南大學(xué)第16頁，共22頁。5.1釩電池存在問題：1）電池體積太大；2）電池對(duì)環(huán)境溫度要求太高；循環(huán)壽命問題3）價(jià)格貴；4）系統(tǒng)復(fù)雜5）能量轉(zhuǎn)換效率。第17頁，共22頁。6.釩電池的應(yīng)用它具有特殊的電池結(jié)構(gòu)，可深度大電流密度放電；充電迅速；比能量高；價(jià)格低廉；應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊：如可作為大廈、機(jī)場、程控交換站備用電源；可作為太

11、陽能等清潔發(fā)電系統(tǒng)的配套儲(chǔ)能裝置；為潛艇、遠(yuǎn)洋輪船提供電力以及用于電網(wǎng)調(diào)峰等。釩電池成本與鉛酸電池相近，它還可制備兆瓦級(jí)電池組，大功率長時(shí)間提供電能，因此釩電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有鋰離子電池、鎳氫電池不可比擬的性價(jià)比優(yōu)勢。釩電池生產(chǎn)工藝簡單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，電性能優(yōu)異，與制造復(fù)雜、價(jià)格昂貴的燃料電池相比，在大規(guī)模儲(chǔ)能的應(yīng)用前景方面，更具競爭實(shí)力。第18頁，共22頁。 與風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng) 配套使用，使其穩(wěn)定供電 火力發(fā)電及核電站的電網(wǎng)調(diào)峰，特別適合直流用電大戶儲(chǔ)存“谷電” 用作自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭等非常時(shí)期應(yīng)急電源，重要軍事基地的備用電站 設(shè)計(jì)成代替鉛酸蓄電池用做潛艇潛航的 動(dòng)力電源液流儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域風(fēng)能 太陽能穩(wěn)定供電火電 核電電網(wǎng)調(diào)峰 應(yīng)急、替代電源 液流儲(chǔ)能裝置第19頁，共22頁。第20頁，共22頁。 釩液流電池應(yīng)用領(lǐng)域全釩液流電池應(yīng)用領(lǐng)域示意圖電源調(diào)峰不間斷電源應(yīng)急電源系統(tǒng)邊緣地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng) 大規(guī)摸的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)風(fēng)