钒电池

发展历程

　　2011年(辛卯年)11月28日，中国泰州新能源高层论坛吸引了全国各地200多位嘉宾参加。中策资本集团董事局主席黄友权怀揣着《钒电池在新能源产业的应用》报告在台上做了精彩的演讲。依据规划，该项目占地1800亩，一期工程将在2012年投产，届时可形成25亿元的销售额，2013年全部投产后，有望形成100亿元的产业规模，届时中策资本集团旗下的洋泰能源(泰州)有限公司将成为全球最大的钒电池生产商。所生产的钒电池将从泰州集成后走向全球。

　　近日全球最大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统应用示范工程通过了辽宁电力(行情 专区)勘测设计院的验收，目前已经全面投入运行。业内人士指出，在上述示范项目的良好带头作用下，如果今后全钒液流电池在核心技术研发、稳定性、成本控制等诸多方面取得更大的突破，则将有望成为储能行业的“黑马”；再加上我国新能源产业也将步入“钒电池时代”，预计钒矿相关个股如明星电力(行情 股吧 买卖点)、国星光电(行情 股吧 买卖点)、天兴仪表(行情 股吧 买卖点)及海亮股份(行情 股吧 买卖点)将获得资金的青睐。

　　钒电池将成储能首选技术

　　近年来，风力发电在中国发展得十分迅猛。截至2012年底，风电累计装机容量达到7532.4万千瓦；但是，由于风能等可再生能源具有不连续、不稳定的非稳态特性，大规模并网后对电网调峰、调频及电能质量均会带来不利影响。因此，随着风电装机容量占电网电力比例的提高，弃风限电现象也频频出现。

　　有专家指出，如何提高电网对于可再生能源的接纳能力，减少弃风并提高可再生能源利用效率成为今后我国需要解决的重大问题。

　　据相关媒体报道，与其他储能技术相比，全钒液流电池储能技术因其使用寿命长、规模大、安全可靠等突出的优势，成为规模储能的首选技术之一。2012年，美国制定的储能技术发展规划已经将全钒液流电池列在首位。据悉，大规模储能电池有三个基本要求：高安全性、生命周期性价比高及生命周期环境友好。

　　作为当前储能的首选技术之一，全钒液流电池储能系统安全性高，在常温常压下运行时，电池系统产生的热量能够通过电解质溶液有效排出，再通过热交换排至系统之外；而且电解质溶液为不燃烧、不爆炸的水溶液，系统运行安全性高。

　　正因为全钒液流电池储能系统拥有诸多优势，有业内分析人士表示，全钒液流电池技术未来在储能行业具备无可估量的发展潜力，甚至有可能将改变未来的能源格局。

　　而此次通过验收的全球最大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统，其背后是大连化物所与大连融科储能技术发展有限公司长达13年的自主创新研发与合作。分析人士表示，示范项目的成功运行标志着我国全钒液流电池技术达到了国际领先水平，这为可再生能源的普及应用提供了有效的技术支撑，具有重要的社会效益并将产生重大的经济效益。

　　中国万亿储能市场将启动

　　按照我国《新能源汽车(行情 专区)产业发展规划》和近年来电池行业数据的测算，钒电池所应用的风电储能设备和城市调峰储能设备市场规模将在11000亿元左右，为国家经济发展的大趋势又给钒电池产业带来了历史性机遇。

　　未来，钒电池将引导世界纯电动汽车的电池潮流。日前，钒电池已经列入国家“863计划”备选项目，中德“波恩项目”新能源汽车项目已于2011年4月份在海南岛奠基，投资上百亿，而钒电池就属于重点之一。

　　目前关于钒电池，政府层面与产业界以及学术界都有共识，均认为钒电池在中国具备发展前景。首先，中国钒矿资源丰富，拥有核心技术，通过跨国整合，目前中国公司已掌握了世界的钒电池关键技术，钒电池的特点也适合中国电网的需求，如寿命长、可重复放电、可靠性高，完全能满足中国建设智能电网的需求。

　　据了解，在日本用于电站调峰和风力储能的钒电池发展迅速，大功率的钒电池储能系统已投入使用，并全力推进其商业化进程。但在我国，钒电池产业还处于起步阶段。针对国内在钒电池领域的萌芽状况，中策资本集团凭借在矿产能源领域的广泛投资，目前在徐州、南阳等地建立了钒电池原材料(行情 专区)生产基地，并在国内最大的风力发电基地甘肃玉门建立了风、光、电储一体化的国家级示范基地。此外，该集团通过股权纽带引进了日本、韩国钒电池新技术，再进行吸收、消化和创新，组建了中日韩工程技术联合研发中心，并在全球多个国家申请了专利。

　　据相关资料显示，我国钒储量占全球钒储量的35%，居全球第一位；我国钒产量占到全球产量的48%，2010年我国钒产量达到6.15万吨，优越的资源禀赋为我国发展钒电池产业创造了得天独厚的条件。

　　业内人士表示，钒电池是一种基于金属钒元素的氧化还原电池储能系统，非常适用于大型静态储能，未来将被广泛应用于太阳能、风能发电储能设备、电站储能调峰以及电动汽车等领域，或成为未来电池发展的重要方向。而为了减少风电、光伏发电对电网的冲击，每台发电装置需配备一款功率相当于其功率10%-50%，且储能需求高于风电装机容量的20%以上的储能蓄电池。有券商分析师估算，2020年中国的钒电池市场规模将达到1.6万亿元，其中风电的产值将是主要部分。

　　涉钒概念股引关注

　　在全球最大规模的5MW/10MWh全钒液流电池储能系统应用示范工程这一示范项目的良好带头作用下，未来钒电池有望成为储能行业的“黑马”；再加上我国新能源产业也将步入“钒电池时代”，预计钒矿相关个股如明星电力、国星光电、天兴仪表及海亮股份将获得资金的青睐。

　　明星电力(600101)：有分析人士指出，钒具有“现代工业的味精”之称。公司持有四川奥深达资源投资开发公司100%的股权，奥深达公司在矿产勘探、开发等方面开展了大量的工作，公司已获得四川甘孜和平武、陕西山阳、西藏江达、新疆且末等地的铁、锰、钒、银、铜、铅、锌等各类矿权共7宗。其中，奥深达的核心资产为持股比例75%的陕西山阳县杨洼钒矿项目(已经获得采矿权).

　　国星光电(002449)：2013年1月，公司股东大会同意调整钒业项目的投资实施主体，将以龙宇钒业为主体继续实施该项目。而龙宇钒业自2005年底依赖拥有河南省淅川县打磨沟的钒矿采矿权，并已取得国土资源部门颁发的采矿许可证，该矿区矿石中主要有益元素是五氧化二钒。

　　天兴仪表(000710)：2008年6月，公司完成收购鑫地隆矿业公司70%的股权，目前该公司已取得了耀岭河钒矿的采矿许可证，有效期限为3年，自2010年12月28日至2013年12月28日。该项目勘查面积为6.46平方公里，目前鑫地隆所拥有的耀岭河钒矿内蕴矿石储量2382万吨，该项目工程建设(行情 专区)需投入资金6000万元左右，公司尚需筹措资金才能进行投资建设。

　　海亮股份(002203)：公司持有恒昊矿业股份5000万股的股权，占恒昊矿业增发后总股本的12.89%。据悉，恒昊矿业拥有四座镍矿山、一座钒矿山、两座锰矿山和两座铜钼矿山，钒金属储量达42.03万吨。

　　实际应用优点

　　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；当功率一定时，要增加储能容量，只需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，[1] 这就避免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，不会产生酸雾，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。因此对于可再生能源发电，钒电池是铅酸电池理想的替代品。

　　钒电池优点

　　与其它化学电源相比，钒电池具有明显的优越性，主要优点如下：

　　1.功率大：通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率，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：通过任意增加电解液的体积，即可任意增加钒电池的电量，可达吉瓦时以上；通过提高电解液的浓度，即可成倍增加钒电池的电量。

　　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，避免了正、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。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需要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，不需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。

　　钒电池缺陷

　　钒电池存在的技术问题主要有两个，第一，钒电池正极液中的五价钒在静置或温度高于45摄氏度的情况下易析出五氧化二钒沉淀，析出的沉淀堵塞流道，包覆碳毡纤维，恶化电堆性能，直至电堆报废，而电堆在长时间运行过程中电解液温度很容易超过45摄氏度。第二，石墨极板要被正极液刻蚀，如果用户操作得当，石墨板能使用两年，如果用户操作不当，一次充电就能让石墨板完全刻蚀，电堆只能报废。在正常使用情况下，每隔两个月就要由专业人士进行一次维护，这种高频次的维护费钱、费力。

　　另外，钒电池成本过高。以一个五千瓦电池为例，电解液（一立方，1.8mol/L）17万、控制系统10万、隔膜7万、板框4万、石墨板1.5万、泵0.7万、碳毡0.4万，总共40.6万，这只是主要材料成本，没计入次要材料成本和人力成本。因此，一个五千瓦钒电池的成本在四十万以上，高出相同规格铅酸电池的成本数倍。

　　从环保的角度来说，钒电池压根就不环保，配制电解液用到的原料、正极沉淀以及泄漏的正极液经风干后形成的薄层都有一样相同东西，那就是五氧化二钒，它是一种剧毒化学品。

　　因此，钒电池还有很多问题需要解决，让人无法乐观的是，钒电池在国内被研究十多年来还没有哪家科研机构取得了突破。

　　钒的新应用

　　钒电池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；为潜艇、远洋轮船提供电力以及用于电网调峰等。

　　钒电池优势

　　钒电池成本与铅酸电池相近，它还可制备兆瓦级电池组，大功率长时间提供电能，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。

　　国外发展

　　钒电池（VRB）是一种新型清洁能源存储装置，经过美国、日本、澳大利亚等国家的应用验证，与市场中的铅酸蓄电池、镍氢电池相比，具有大功率、长寿命、支持频繁大电流充放电、绿色无污染等明显技术优势，主要应用于再生能源并网发电、城市电网储能、远程供电、UPS系统、海岛应用等领域。

　　早在60年代，就有铁—铬体系的氧化还原电池问世，但是钒系的氧化还原电池是在1985年由澳大利亚新南威尔士大学的Marria Kacos提出，经过十多年的研发，钒电池技术已经趋近成熟。在日本，用于电站调峰和风力储能的固定型（相对于电动车用而言）钒电池发展迅速，大功率的钒电池储能系统已投入实用，并全力推进其商业化进程。

　　国内发展

　　前期工作：我单位从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。

运作原理

　　工作原理

　　钒电池（VRB）是一种可以流动的电池，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（VanadiumEnergy Storage System，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一样。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提供足够的电解液来得到。给电池层充电和放电不一定需要相同的电压。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。

　　VRB电池

　　VRB电池用于通信，其优点明显：

　　（1）能量循环效率高；

　　（2）深度放电后寿不会受影响；

　　（3）不会由于电解液的腐蚀而使化学特性受到影响；

　　（4）电解液可以无限期使用（没有处理的问题）；

　　（5）循环寿命是无限的（仅受隔膜的限制）；

　　（6）能量的存储量可以精确地测量出来；

　　（7）在使用中对环境的影响很小。这些特性为在各种各样的通信应用中发展直流能源存储系统提供了保障。

　　VESS电池

　　VESS是把VRB集成起来的、一个实用的能源存储系统。该系统中采用的专家控制技术，可以使操作管理、容量管理、日常维护、纠错处理、系统状态监视和外部通信自动化。 VESS放弃了在传统的备用能源中常用的如充电、放电、线电压等概念，而以能量存储和转移的概念来代替。 VESS在通信中应用的一个主要特征：VESS可以对现有的通信动力基础设施做出更有利的使用，而且可以考虑在新的无污染的通信应用中引入能源存储的基础设施。

　　作为一个单一的能源存储元件， VESS只需安装一次就可以多种不同的电压提供动力。相对于传统的串联型的铅酸或镍镉电池，这种优越性是显著的。

　　从存储的观点看，这是因为：

　　（1）所有存储起来的能量都在电解液中；

　　（2）可以输出的动力取决于电极（层）的尺寸；

　　（3）系统能量的密度可以从物理上和系统存储的能量隔离开来；

　　（4）存储起来的能量很稳定。

　　从系统运行的观点看，这是因为：

　　（1）每一个单元都具有相同的带电状态；

　　（2）系统可以同时充电和放电；

　　（3）充电速度比铅酸电池快；

　　（4）运行时可以有一种或多种电输入，而且可以输出多种电压值；

　　（5）有自动功能，可以自动整流和自动保护。

　　从系统维护的观点，这是因为：

　　（1）可以通过添加电解液来增加系统的独立运行的时间；

　　（2）系统的能量存储可以在任何时间增加，费用只有铅酸电池的20%；

　　（3）寿长使用完后只需更换部分零部件；

　　（4）维护量很少。

　　和传统的二次电池技术相比，VRB在成本上很有竞争性，而且采用铅酸电池技术会很贵或不可能实现的一些应用，用VESS就可以很容易实现。因此直流电源系统，VESS是一种很理想的替代品。 VESS电池的容量只需用油量表就可以知道，并且能量存储的成本很低，所以它在通信应用中的前景是很诱人的。另外，VESS的能量存储轻便，并且存储和使用相互独立，所以可以用在通信应用的特定场合。替代油机。通信动力系统中通常都使用柴油发电机，以便在停电时提供长时间的动力。当油机启动和预热时，通常需要一个电池来提供短时间的动力。在通信站还经常使用UPS来提供交流不间断和直流不间断电源，两者都需要一个单独的电池。一些小站口使用一个电池供应不间断的直流电源，不间断交流电源则通过逆变需得到。备用系统的油机在动力系统的投资中占了很大一部分，而且需要持续不断的机械维护以保证其可靠性。在实际应用中，油机的利用率很低，因此其单位时间的使用成本是比较高的。而基于VESS的新系统则有潜力替代动力系统中的油机，为UPS和高可靠性的直流电源提供总的、多功能的能量存储解决方案。替代太阳能电池。一些通信管理部门维护着巨大的、地理分布很广的太阳能电池供电的通信网络。太阳能供电系统的能量存储零件通常是铅酸电池，这需要的维护量很大。VE SS有潜力替代太阳能电池，减少成本，提高生产率。

　　VESS的优点

　　在典型的通信应用中，和铅酸电池相比，VESS有许多优点；

　　（1）自动控制功能提供了自动保护、自动整流和系统控制界面；

　　（2）内部控制单元可以控制其它的系统部件；

　　（3）能量的存储量可以很精确地直接读出；

　　（4）寿长，使用5年左右的时间后，只需更换部分零部件；

　　（5）能量的存储量可以在任何时间添加，成本只有铅酸电池的20%，约为200 美元/kWh。

技术特点

　　(1)能量存储于电解液中，增加电解液储罐的体积或者提高电解液的浓度均可增加电池容量。即对于相同功率输出的钒电池，可根据需求任意调整容量。非常适合大容量储能应用；

　　(2) 输出功率由电池堆中参与反应的面积决定，可通过增加或减少单电池和不同电池组串连和并联调整满足不同功率需求，美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6000kW；

　　(3) 充放电不涉及固相反应，电解液的理论使用寿命无限，可以长期使用。铅酸蓄电池充电过程中，溶液中的铅离子转化为固态氧化铅沉积在电极表面，放电过程中固态氧化铅电极重新溶解进入液相，充放电过程伴随极板物质的液相/固相转化。为了保证固态氧化铅电极晶型的稳定性，电池充放电程度需要严格控制；电极结构的变化导致电化学性能逐渐劣化，原理上决定了有限的充放电循环和电池寿命；

　　(4) 反应速度快，可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒；

　　(5) 理论充放电时间比为1：1(实际运行1.5-1.7：1)，支持频繁大电流充放电，深度充放电对电池寿命影响不大，充放电状态下电池正、负极活性物质均为液相，不会出现镍氢电池、锂离子电池等蓄电池因电极上枝状晶体的生长而将隔膜刺破导致电池短路的危险；

　　(6) 电池堆可与电解液相分离，存储于电解液中的能量可长期保存，不会因自放电损耗；

　　(7) 能量循环效率高，充放电能量转换效率达75%以上，远高于铅酸电池的45%。电解液在充放电过程中不消耗，重复充放电不影响电池容量；

　　(8) 能量的存储量可以精确地测量出来；

　　(9) 正负极使用同一种金属离子的电解液，避免了电解液交叉污染问题，提高了电池的效率和寿命；

　　(10) 电解液的流动性，可使电池组中各个单电池状态基本一致，可靠性高；

　　(11) 可以通过增加电解液或更换电解液的方式增加系统运行时间。通过更换电解液，可实现瞬间再充电，类似于汽车加油。

　　(12) 结构简单，更换和维修容易，使用费用低廉，维护工作量小；

　　(13) 可全自动封闭运行，无噪音，无污染，维护简单，运营成本低。

　　(14) 可以同时对系统充电和放电，充放电方式可以根据不同的应用需求进行调整。可以同时有一种或多种电输入，也可以输出多种电压。如可以用串联电池组的电压放电，而充电则可以在电池堆的另一部分用不同的电压进行。

　　(15) 系统使用寿命长，充放循环寿命可超过10000次，远远高于固定型铅酸电池的1000次。加拿大VRB Power Systems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；

　　(16) 除离子膜外，材料价格便宜，来源丰富，不需要贵金属作电极催化剂，成本低。批量化生产后成本甚至低于铅酸电池；

　　(17) 电解液可长期使用，没有污染排放，对环境友好。