釩電池

釩電池全稱為全釩氧化還原液流電池（Vanadium Redox Battery，縮寫為VRB），是一種活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池。

基本介紹

• 中文名：釩電池（VRB）
• 外文名：Vanadium Redox Battery
• 全稱：全釩氧化還原液流電池
• 投產：2012年
• 學術：《釩電池在新能源產業的套用》
• 開展時間：2011年(辛卯年)11月28日

發展歷程

2011年(辛卯年)11月28日，中國泰州新能源高層論壇吸引了全國各地200多位嘉賓參加。中策資本集團董事局主席黃友權懷揣著《釩電池在新能源產業的套用》報告在台上做了精彩的演講。依據規劃，該項目占地1800畝，一期工程將在2012年投產，屆時可形成25億元的銷售額，2013年全部投產後，有望形成100億元的產業規模，屆時中策資本集團旗下的洋泰能源(泰州)有限公司將成為全球最大的釩電池生產商。所生產的釩電池將從泰州集成後走向全球。

近日全球最大規模的5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統套用示範工程通過了遼寧電力(行情 專區)勘測設計院的驗收，目前已經全面投入運行。業內人士指出，在上述示範項目的良好帶頭作用下，如果今後全釩液流電池在核心技術研發、穩定性、成本控制等諸多方面取得更大的突破，則將有望成為儲能行業的“黑馬”；再加上我國新能源產業也將步入“釩電池時代”，預計釩礦相關個股如明星電力(行情 股吧 買賣點)、國星光電(行情 股吧 買賣點)、天興儀表(行情 股吧 買賣點)及海亮股份(行情 股吧 買賣點)將獲得資金的青睞。

釩電池將成儲能首選技術

近年來，風力發電在中國發展得十分迅猛。截至2012年底，風電累計裝機容量達到7532.4萬千瓦；但是，由於風能等可再生能源具有不連續、不穩定的非穩態特性，大規模併網後對電網調峰、調頻及電能質量均會帶來不利影響。因此，隨著風電裝機容量占電網電力比例的提高，棄風限電現象也頻頻出現。

有專家指出，如何提高電網對於可再生能源的接納能力，減少棄風並提高可再生能源利用效率成為今後我國需要解決的重大問題。

據相關媒體報導，與其他儲能技術相比，全釩液流電池儲能技術因其使用壽命長、規模大、安全可靠等突出的優勢，成為規模儲能的首選技術之一。2012年，美國制定的儲能技術發展規劃已經將全釩液流電池列在首位。據悉，大規模儲能電池有三個基本要求：高安全性、生命周期性價比高及生命周期環境友好。

作為當前儲能的首選技術之一，全釩液流電池儲能系統安全性高，在常溫常壓下運行時，電池系統產生的熱量能夠通過電解質溶液有效排出，再通過熱交換排至系統之外；而且電解質溶液為不燃燒、不爆炸的水溶液，系統運行安全性高。

正因為全釩液流電池儲能系統擁有諸多優勢，有業內分析人士表示，全釩液流電池技術未來在儲能行業具備無可估量的發展潛力，甚至有可能將改變未來的能源格局。

而此次通過驗收的全球最大規模的5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統，其背後是大連化物所與大連融科儲能技術發展有限公司長達13年的自主創新研發與合作。分析人士表示，示範項目的成功運行標誌著我國全釩液流電池技術達到了國際領先水平，這為可再生能源的普及套用提供了有效的技術支撐，具有重要的社會效益並將產生重大的經濟效益。

中國萬億儲能市場將啟動

按照我國《新能源汽車(行情 專區)產業發展規劃》和近年來電池行業數據的測算，釩電池所套用的風電儲能設備和城市調峰儲能設備市場規模將在11000億元左右，為國家經濟發展的大趨勢又給釩電池產業帶來了歷史性機遇。

未來，釩電池將引導世界純電動汽車的電池潮流。日前，釩電池已經列入國家“863計畫”備選項目，中德“波恩項目”新能源汽車項目已於2011年4月份在海南島奠基，投資上百億，而釩電池就屬於重點之一。

目前關於釩電池，政府層面與產業界以及學術界都有共識，均認為釩電池在中國具備發展前景。首先，中國釩礦資源豐富，擁有核心技術，通過跨國整合，目前中國公司已掌握了世界的釩電池關鍵技術，釩電池的特點也適合中國電網的需求，如壽命長、可重複放電、可靠性高，完全能滿足中國建設智慧型電網的需求。

據了解，在日本用於電站調峰和風力儲能的釩電池發展迅速，大功率的釩電池儲能系統已投入使用，並全力推進其商業化進程。但在我國，釩電池產業還處於起步階段。針對國內在釩電池領域的萌芽狀況，中策資本集團憑藉在礦產能源領域的廣泛投資，目前在徐州、南陽等地建立了釩電池原材料(行情 專區)生產基地，並在國內最大的風力發電基地甘肅玉門建立了風、光、電儲一體化的國家級示範基地。此外，該集團通過股權紐帶引進了日本、韓國釩電池新技術，再進行吸收、消化和創新，組建了中日韓工程技術聯合研發中心，並在全球多個國家申請了專利。

據相關資料顯示，我國釩儲量占全球釩儲量的35%，居全球第一位；我國釩產量占到全球產量的48%，2010年我國釩產量達到6.15萬噸，優越的資源稟賦為我國發展釩電池產業創造了得天獨厚的條件。

業內人士表示，釩電池是一種基於金屬釩元素的氧化還原電池儲能系統，非常適用於大型靜態儲能，未來將被廣泛套用於太陽能、風能發電儲能設備、電站儲能調峰以及電動汽車等領域，或成為未來電池發展的重要方向。而為了減少風電、光伏發電對電網的衝擊，每台發電裝置需配備一款功率相當於其功率10%-50%，且儲能需求高於風電裝機容量的20%以上的儲能蓄電池。有券商分析師估算，2020年中國的釩電池市場規模將達到1.6萬億元，其中風電的產值將是主要部分。

涉釩概念股引關注

在全球最大規模的5MW/10MWh全釩液流電池儲能系統套用示範工程這一示範項目的良好帶頭作用下，未來釩電池有望成為儲能行業的“黑馬”；再加上我國新能源產業也將步入“釩電池時代”，預計釩礦相關個股如明星電力、國星光電、天興儀表及海亮股份將獲得資金的青睞。

明星電力(600101)：有分析人士指出，釩具有“現代工業的味素”之稱。公司持有四川奧深達資源投資開發公司100%的股權，奧深達公司在礦產勘探、開發等方面開展了大量的工作，公司已獲得四川甘孜和平武、陝西山陽、西藏江達、新疆且末等地的鐵、錳、釩、銀、銅、鉛、鋅等各類礦權共7宗。其中，奧深達的核心資產為持股比例75%的陝西山陽縣楊窪釩礦項目(已經獲得採礦權).

國星光電(002449)：2013年1月，公司股東大會同意調整釩業項目的投資實施主體，將以龍宇釩業為主體繼續實施該項目。而龍宇釩業自2005年底依賴擁有河南省淅川縣打磨溝的釩礦採礦權，並已取得國土資源部門頒發的採礦許可證，該礦區礦石中主要有益元素是五氧化二釩。

天興儀表(000710)：2008年6月，公司完成收購鑫地隆礦業公司70%的股權，目前該公司已取得了耀嶺河釩礦的採礦許可證，有效期限為3年，自2010年12月28日至2013年12月28日。該項目勘查面積為6.46平方公里，目前鑫地隆所擁有的耀嶺河釩礦內蘊礦石儲量2382萬噸，該項目工程建設(行情 專區)需投入資金6000萬元左右，公司尚需籌措資金才能進行投資建設。

海亮股份(002203)：公司持有恆昊礦業股份5000萬股的股權，占恆昊礦業增發後總股本的12.89%。據悉，恆昊礦業擁有四座鎳礦山、一座釩礦山、兩座錳礦山和兩座銅鉬礦山，釩金屬儲量達42.03萬噸。

實際套用優點

一、電堆作為發生反應的場所與存放電解液的儲罐分開，從根本上克服了傳統電池的自放電現象。功率只取決於電堆大小，容量只取決於電解液儲量和濃度，設計非常靈活；當功率一定時，要增加儲能容量，只需要增大電解液儲罐容積或提高電解液體積或濃度即可，而不需改變電堆大小；可通過更換或添加充電狀態的電解液實現“瞬間充電”的目的。可用於建造千瓦級到百兆瓦級儲能電站，適應性很強。

二、充、放電性能好，可以進行大功率的充電和放電，也可以允許浮充和深度放電。對鉛酸蓄電池來說，放電電流越大，電池的壽命越短；放電深度越深，電池的壽命也越短。而釩電池放電深度即使達到100%，也不會對電池造成影響。而且釩電池不易發生短路，這就避免了因短路而引起的爆炸等安全問題。

三、可充放電次數極大，理論上壽命是無數次。充放電時間比為1：1，而鉛酸電池是4：1。而且釩電池充、放切換回響速度快，小於20毫秒，非常有利於均衡供電。

四、能量效率高，直流對直流能量效率可以達到80%以上，而鉛酸電池只有60%左右。釩電池組中的各個單位電池狀態基本一致，維護簡單方便。

五、選址自由度大，占地少，系統可全自動封閉運行，不會產生酸霧，沒有酸腐蝕。電解液可反覆利用，無排放，維護簡單，操作成本低。是一種綠色環保儲能技術。因此對於可再生能源發電，釩電池是鉛酸電池理想的替代品。

釩電池優點

與其它化學電源相比，釩電池具有明顯的優越性，主要優點如下：

1.功率大：通過增加單片電池的數量和電極面積，即可增加釩電池的功率，美國商業化示範運行的釩電池的功率已達6兆瓦。

2.容量大：通過任意增加電解液的體積，即可任意增加釩電池的電量，可達吉瓦時以上；通過提高電解液的濃度，即可成倍增加釩電池的電量。

3.效率高：由於釩電池的電極催化活性高，且正、負極活性物質分別存儲在正、負極電解液儲槽中，避免了正、負極活性物質的自放電消耗，釩電池的充放電能量轉換效率高達75%以上，遠高於鉛酸電池的45%。

4.壽命長：由於釩電池的正、負極活性物質只分別存在於正、負極電解液中，充放電時無其它電池常有的物相變化，可深度放電而不損傷電池，電池使用壽命長。加拿大VRBPowerSystems商業化示範運行時間最長的釩電池模組已正常運行超過9年，充放循環壽命超過18000次，遠遠高於固定型鉛酸電池的1000次。

5.回響速度快：釩電池堆里充滿電解液可在瞬間啟動，在運行過程中充放電狀態切換隻需要0.02秒，回響速度1毫秒。

6.可瞬間充電：通過更換電解液可實現釩電池瞬間充電。

7.安全性高：釩電池無潛在的爆炸或著火危險，即使將正、負極電解液混合也無危險，只是電解液溫度略有升高。

8.成本低：除離子膜外，釩電池部件多為廉價的碳材料、工程塑膠，材料來源豐富，易回收，不需要貴金屬作電極催化劑，成本低。

9.釩電池選址自由度大，可全自動封閉運行，無污染。

釩電池缺陷

釩電池存在的技術問題主要有兩個，第一，釩電池正極液中的五價釩在靜置或溫度高於45攝氏度的情況下易析出五氧化二釩沉澱，析出的沉澱堵塞流道，包覆碳氈纖維，惡化電堆性能，直至電堆報廢，而電堆在長時間運行過程中電解液溫度很容易超過45攝氏度。第二，石墨極板要被正極液刻蝕，如果用戶操作得當，石墨板能使用兩年，如果用戶操作不當，一次充電就能讓石墨板完全刻蝕，電堆只能報廢。在正常使用情況下，每隔兩個月就要由專業人士進行一次維護，這種高頻次的維護費錢、費力。

另外，釩電池成本過高。以一個五千瓦電池為例，電解液（一立方，1.8mol/L）17萬、控制系統10萬、隔膜7萬、板框4萬、石墨板1.5萬、泵0.7萬、碳氈0.4萬，總共40.6萬，這只是主要材料成本，沒計入次要材料成本和人力成本。因此，一個五千瓦釩電池的成本在四十萬以上，高出相同規格鉛酸電池的成本數倍。

從環保的角度來說，釩電池壓根就不環保，配製電解液用到的原料、正極沉澱以及泄漏的正極液經風乾後形成的薄層都有一樣相同東西，那就是五氧化二釩，它是一種劇毒化學品。

因此，釩電池還有很多問題需要解決，讓人無法樂觀的是，釩電池在國內被研究十多年來還沒有哪家科研機構取得了突破。

釩的新套用

釩電池具有特殊的電池結構，可深度大電流密度放電；充電迅速；比能量高；價格低廉；套用領域十分廣闊：如可作為大廈、機場、程控交換站備用電源；可作為太陽能等清潔發電系統的配套儲能裝置；為潛艇、遠洋輪船提供電力以及用於電網調峰等。

釩電池優勢

釩電池成本與鉛酸電池相近，它還可製備兆瓦級電池組，大功率長時間提供電能，因此釩電池在大規模儲能領域具有鋰離子電池、鎳氫電池不可比擬的性價比優勢。釩電池生產工藝簡單，價格經濟，電性能優異，與製造複雜、價格昂貴的燃料電池相比，無論是在大規模儲能還是電動汽車動力電源的套用前景方面，都更具競爭實力。

國外發展

釩電池（VRB）是一種新型清潔能源存儲裝置，經過美國、日本、澳大利亞等國家的套用驗證，與市場中的鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，具有大功率、長壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無污染等明顯技術優勢，主要套用於再生能源併網發電、城市電網儲能、遠程供電、UPS系統、海島套用等領域。

早在60年代，就有鐵—鉻體系的氧化還原電池問世，但是釩系的氧化還原電池是在1985年由澳大利亞新南威爾斯大學的Marria Kacos提出，經過十多年的研發，釩電池技術已經趨近成熟。在日本，用於電站調峰和風力儲能的固定型（相對於電動車用而言）釩電池發展迅速，大功率的釩電池儲能系統已投入實用，並全力推進其商業化進程。

國內發展

前期工作：我單位從1995年率先在國內開始釩電池的研製。先後研製成功了20W、100W、500W的釩電池樣機，在釩電池的關鍵技術上有所突破，填補了國內空白。成功開發了四價釩溶液製備、導電塑膠成型及批量生產、中型電池組裝配和調試等技術。1998年，500w的釩電池樣機用於電瓶車的驅動。現已研製出800W的產品樣機。

主要參數

如下：單體數：10個電極面積：784cm2；

單體電池厚度：13mm；

電解液濃度：1.5M VOSO4+2M H2SO4；

電解液量：10L；

理論容量：200Ah；

最大充電電流：80A（電流密度102mA/cm2）；

充電電壓（50^充電狀態）：40A充電電壓為15.0V，80A充電電壓為16.5V；

充電容量：40Ah；

最大放電電流：80A（電流密度102mA/cm2）；

放電電壓（50^放電狀態）：40A放電電壓為11.5V，80A放電電壓為10V；

放電容量：30Ah；

充放電利用率：≥80^；

電堆最大功率：≥800W。

運作原理

工作原理

釩電池（VRB）是一種可以流動的電池，正在逐步進入商用化階段。VRB作為一種化學的能源存儲技術，和傳統的鉛酸電池、鎳鎘電池相比，它在設計上有許多獨特之處，性能上也適用於多種工業場合，比如可以替代油機、備用電源等。利用VRB技術設計製造的VESS系統（VanadiumEnergy Storage System，即釩能源存儲系統），其設計和操作特性在VRB的基礎之上被最佳化，而且集成了許多自動化的智慧型控制和用於管理操作的電子裝置。簡單地說，釩電池將存儲在電解液中的能量轉換為電能，這是通過兩個不同類型的、被一層隔膜隔開的釩離子之間交換電子來實現的。電解液是由硫酸和釩混合而成的，酸性和傳統的鉛酸電池一樣。由於這個電化學反應是可逆的，所以VRB電池既可以充電，也可以放電。充放電時隨著兩種釩離子濃度的變化，電能和化學能能相互轉換。 VRB電池由兩個電解液池和一層層的電池單元組成。電解液池用於盛兩種不同的電解液。每個電池單元由兩個“半單元”組成，中間夾著隔膜和用於收集電流的電極。兩個不同的“半單元”中盛放著不同離子形態的釩的電解液。每個電解液池配有一個泵，用於在封閉的管道中為每一個“半單元”輸送電解液。當帶電的電解液在一層層的電池單元中流動時，電子就流動到外部電路，這就是放電過程。當從外部將電子輸送到電池內部時，相反的過程就發生了，這就是給電池單元中的電解液充電，然後再由泵輸送回電解液池。在 VRB中，電解液在多個電池單元間流動，電壓是各單元電壓串聯形成的。標稱電壓是1.2V。電流密度由電池單元內電流收集極的表面積決定，但是電流的供應取決於電解液在電池單元間的流動，而不是電池層本身。VRB電池技術的一個最重要的特點是：峰值功率取決於電池層總的表面積，而電池的電量則取決於電解液的多少。在傳統的鉛酸和鎳福電池中，電極和電解液被放置到一塊，功率和能量強烈地依賴於極板面積和電解液的容量。但VRB電池不是這樣，它的電極和電解液不一定必須放到一塊，這就意味著能量的存放可以不受電池外殼的限制。從電力上來講，不同等級的能量可以為電池層中不同的電池單元或單元組中通過提供足夠的電解液來得到。給電池層充電和放電不一定需要相同的電壓。例如，VRB電池可以用串聯電池層的電壓放電，而充電則可以在電池層的另一部分用不同的電壓進行。

VRB電池

VRB電池用於通信，其優點明顯：

（1）能量循環效率高；

（2）深度放電後壽不會受影響；

（3）不會由於電解液的腐蝕而使化學特性受到影響；

（4）電解液可以無限期使用（沒有處理的問題）；

（5）循環壽命是無限的（僅受隔膜的限制）；

（6）能量的存儲量可以精確地測量出來；

（7）在使用中對環境的影響很小。這些特性為在各種各樣的通信套用中發展直流能源存儲系統提供了保障。

VESS電池

VESS是把VRB集成起來的、一個實用的能源存儲系統。該系統中採用的專家控制技術，可以使操作管理、容量管理、日常維護、糾錯處理、系統狀態監視和外部通信自動化。 VESS放棄了在傳統的備用能源中常用的如充電、放電、線電壓等概念，而以能量存儲和轉移的概念來代替。 VESS在通信中套用的一個主要特徵：VESS可以對現有的通信動力基礎設施做出更有利的使用，而且可以考慮在新的無污染的通信套用中引入能源存儲的基礎設施。

作為一個單一的能源存儲元件， VESS只需安裝一次就可以多種不同的電壓提供動力。相對於傳統的串聯型的鉛酸或鎳鎘電池，這種優越性是顯著的。

從存儲的觀點看，這是因為：

（1）所有存儲起來的能量都在電解液中；

（2）可以輸出的動力取決於電極（層）的尺寸；

（3）系統能量的密度可以從物理上和系統存儲的能量隔離開來；

（4）存儲起來的能量很穩定。

從系統運行的觀點看，這是因為：

（1）每一個單元都具有相同的帶電狀態；

（2）系統可以同時充電和放電；

（3）充電速度比鉛酸電池快；

（4）運行時可以有一種或多種電輸入，而且可以輸出多種電壓值；

（5）有自動功能，可以自動整流和自動保護。

從系統維護的觀點，這是因為：

（1）可以通過添加電解液來增加系統的獨立運行的時間；

（2）系統的能量存儲可以在任何時間增加，費用只有鉛酸電池的20%;

（3）壽長使用完後只需更換部分零部件；

（4）維護量很少。

和傳統的二次電池技術相比，VRB在成本上很有競爭性，而且採用鉛酸電池技術會很貴或不可能實現的一些套用，用VESS就可以很容易實現。因此直流電源系統，VESS是一種很理想的替代品。 VESS電池的容量只需用油量表就可以知道，並且能量存儲的成本很低，所以它在通信套用中的前景是很誘人的。另外，VESS的能量存儲輕便，並且存儲和使用相互獨立，所以可以用在通信套用的特定場合。替代油機。通信動力系統中通常都使用柴油發電機，以便在停電時提供長時間的動力。當油機啟動和預熱時，通常需要一個電池來提供短時間的動力。在通信站還經常使用UPS來提供交流不間斷和直流不間斷電源，兩者都需要一個單獨的電池。一些小站口使用一個電池供應不間斷的直流電源，不間斷交流電源則通過逆變需得到。備用系統的油機在動力系統的投資中占了很大一部分，而且需要持續不斷的機械維護以保證其可靠性。在實際套用中，油機的利用率很低，因此其單位時間的使用成本是比較高的。而基於VESS的新系統則有潛力替代動力系統中的油機，為UPS和高可靠性的直流電源提供總的、多功能的能量存儲解決方案。替代太陽能電池。一些通信管理部門維護著巨大的、地理分布很廣的太陽能電池供電的通信網路。太陽能供電系統的能量存儲零件通常是鉛酸電池，這需要的維護量很大。VE SS有潛力替代太陽能電池，減少成本，提高生產率。

VESS的優點

在典型的通信套用中，和鉛酸電池相比，VESS有許多優點；

（1）自動控制功能提供了自動保護、自動整流和系統控制界面；

（2）內部控制單元可以控制其它的系統部件；

（3）能量的存儲量可以很精確地直接讀出；

（4）壽長，使用5年左右的時間後，只需更換部分零部件；

（5）能量的存儲量可以在任何時間添加，成本只有鉛酸電池的20%，約為200 美元/kWh。

技術特點

(1)能量存儲於電解液中，增加電解液儲罐的體積或者提高電解液的濃度均可增加電池容量。即對於相同功率輸出的釩電池，可根據需求任意調整容量。非常適合大容量儲能套用；

(2) 輸出功率由電池堆中參與反應的面積決定，可通過增加或減少單電池和不同電池組串連和並聯調整滿足不同功率需求，美國商業化示範運行的釩電池的功率已達6000kW；

(3) 充放電不涉及固相反應，電解液的理論使用壽命無限，可以長期使用。鉛酸蓄電池充電過程中，溶液中的鉛離子轉化為固態氧化鉛沉積在電極表面，放電過程中固態氧化鉛電極重新溶解進入液相，充放電過程伴隨極板物質的液相/固相轉化。為了保證固態氧化鉛電極晶型的穩定性，電池充放電程度需要嚴格控制；電極結構的變化導致電化學性能逐漸劣化，原理上決定了有限的充放電循環和電池壽命；

(4) 反應速度快，可在瞬間啟動，在運行過程中充放電狀態切換隻需要0.02秒，回響速度1毫秒；

(5) 理論充放電時間比為1：1(實際運行1.5-1.7：1)，支持頻繁大電流充放電，深度充放電對電池壽命影響不大，充放電狀態下電池正、負極活性物質均為液相，不會出現鎳氫電池、鋰離子電池等蓄電池因電極上枝狀晶體的生長而將隔膜刺破導致電池短路的危險；

(6) 電池堆可與電解液相分離，存儲於電解液中的能量可長期保存，不會因自放電損耗；

(7) 能量循環效率高，充放電能量轉換效率達75%以上，遠高於鉛酸電池的45%。電解液在充放電過程中不消耗，重複充放電不影響電池容量；

(8) 能量的存儲量可以精確地測量出來；

(9) 正負極使用同一種金屬離子的電解液，避免了電解液交叉污染問題，提高了電池的效率和壽命；

(10) 電解液的流動性，可使電池組中各個單電池狀態基本一致，可靠性高；

(11) 可以通過增加電解液或更換電解液的方式增加系統運行時間。通過更換電解液，可實現瞬間再充電，類似於汽車加油。

(12) 結構簡單，更換和維修容易，使用費用低廉，維護工作量小；

(13) 可全自動封閉運行，無噪音，無污染，維護簡單，運營成本低。

(14) 可以同時對系統充電和放電，充放電方式可以根據不同的套用需求進行調整。可以同時有一種或多種電輸入，也可以輸出多種電壓。如可以用串聯電池組的電壓放電，而充電則可以在電池堆的另一部分用不同的電壓進行。

(15) 系統使用壽命長，充放循環壽命可超過10000次，遠遠高於固定型鉛酸電池的1000次。加拿大VRB Power Systems商業化示範運行時間最長的釩電池模組已正常運行超過9年，充放循環壽命超過18000次；

(16) 除離子膜外，材料價格便宜，來源豐富，不需要貴金屬作電極催化劑，成本低。批量化生產後成本甚至低於鉛酸電池；

(17) 電解液可長期使用，沒有污染排放，對環境友好。