釩液流電池經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，已經(jīng)是一種比較成熟的儲(chǔ)能技術(shù)了。其應(yīng)用方向主要是新能源電場(chǎng)和電網(wǎng)的MWh級(jí)大規(guī)模儲(chǔ)能站。和主要做移動(dòng)電源的鋰電池相比，他們的關(guān)系就像飯勺和鍋鏟的關(guān)系，沒(méi)有相互替代的空間。全釩液流電池的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，是水力蓄能、壓縮空氣蓄能等大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，以及其他體系的液流電池。

釩液流電池的相對(duì)鋰電池的優(yōu)勢(shì)主要有三：

一、方便規(guī)模化。一套系統(tǒng)可以做到你家冰柜那么大，也可以做到你家小區(qū)變電站那么大，電量夠你家用一天到一年不等，想怎么設(shè)計(jì)就怎么設(shè)計(jì)。

二、使用壽命長(zhǎng)。你也能用半個(gè)世紀(jì)。

三、安全性較好。面對(duì)鋰離子電池忌諱的大電流和過(guò)充過(guò)放毫無(wú)壓力，而且根本不會(huì)起火爆炸。

問(wèn)題主要就一個(gè)：

能量密度低。別想著能用在你的手機(jī)上了，電動(dòng)車(chē)也沒(méi)啥指望。

釩液流電池經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，已經(jīng)是一種比較成熟的儲(chǔ)能技術(shù)了。其應(yīng)用方向主要是新能源電場(chǎng)和電網(wǎng)的MWh級(jí)大規(guī)模儲(chǔ)能站。和主要做移動(dòng)電源的鋰電池相比，他們的關(guān)系就像飯勺和鍋鏟的關(guān)系，沒(méi)有相互替代的空間。全釩液流電池的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，是水力蓄能、壓縮空氣蓄能等大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，以及其他體系的液流電池。

一、市場(chǎng)

大山里有個(gè)村叫李村，山高路遠(yuǎn)不通電。前些年搞村村通，配了臺(tái)發(fā)電機(jī)，然而柴油依然十分金貴。太陽(yáng)落山之后，昏黃的燈光便成了奢侈品。

年關(guān)將至，伴著凜冽的北風(fēng)，在縣城干電工的李狗嗨騎著三輪出現(xiàn)在蜿蜒的山路上，車(chē)后斗拉了幾大塊亮晶晶的黑板子。

“唉，王八蛋老板黃鶴搞太陽(yáng)能，欠下了3.5個(gè)億，帶著他的小姨子跑了。我們沒(méi)有辦法，拿著光伏板抵工資。聽(tīng)說(shuō)這玩意曬曬太陽(yáng)就來(lái)電，不燒油不加水。我拖回兩塊來(lái)，娃兒們晚上都有書(shū)念，翠花也做得了針線了。”

李狗嗨的光伏板架好了，然而就像達(dá)文西的手電筒一樣，晚上沒(méi)有太陽(yáng)的時(shí)候

編個(gè)故事是為了說(shuō)明目前新能源行業(yè)的困境。李狗嗨遇到的問(wèn)題，風(fēng)電場(chǎng)的工程師同樣在面對(duì)。

某種程度上講，我們司空見(jiàn)慣的電網(wǎng)堪稱(chēng)世界上規(guī)模最大、能量最高的機(jī)器，而神奇之處在于這架機(jī)器必須保持每時(shí)每刻能量的收支平衡，坑口電廠轟鳴的汽輪機(jī)的產(chǎn)出，和千里之外華北平原萬(wàn)家燈火的消費(fèi)毫厘不差。這是一場(chǎng)曠日持久的走鋼絲。無(wú)疑我們有的是控制手段來(lái)保持平衡，然而總也免不了有個(gè)天災(zāi)人禍，失手的例子就在不遠(yuǎn)的03年美加大停電和08年的華南電網(wǎng)雪災(zāi)。

新能源的并網(wǎng)給電力工程師帶來(lái)了更為頭疼的難題：天氣。用戶(hù)老爺們的需求已經(jīng)夠難對(duì)付了，這下又來(lái)了一個(gè)看老天爺臉色的奇葩……這日子沒(méi)法過(guò)了(╯￣Д￣)╯┻━┻2012年吉林省的棄風(fēng)率達(dá)到32%，也就是1/3的發(fā)電量被白白丟在了風(fēng)里。除了當(dāng)?shù)叵M(fèi)能力有限的原因之外，控制上的難題同樣也是原因。風(fēng)力和光伏短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)性非常嚴(yán)重，難以與電網(wǎng)同步，俗稱(chēng)“垃圾電”，如果直接并網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

以上問(wèn)題的癥結(jié)在于，我們的電網(wǎng)里還不存在一個(gè)儲(chǔ)能的機(jī)制，就像達(dá)文西的手電筒一樣沒(méi)有電池。如果我們能對(duì)電能實(shí)現(xiàn)高拋低吸，行話叫調(diào)峰，棄風(fēng)和控制的問(wèn)題就都迎刃而解了。目前只有靠調(diào)整發(fā)電機(jī)的出力來(lái)適應(yīng)需求。然而發(fā)電機(jī)組通常都在額定功率下處于最高效率，頻繁的出力變化必然導(dǎo)致效率降低。所以對(duì)于現(xiàn)有的電力系統(tǒng)，儲(chǔ)能技術(shù)也有節(jié)能減排的意義。

調(diào)峰的示意圖，粉色曲線為風(fēng)電場(chǎng)輸出，褐色曲線為用電需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)在紅色面積下吸收能量，于綠色面積內(nèi)釋放。如果沒(méi)有儲(chǔ)能系統(tǒng)，這部分電力是浪費(fèi)掉的。

目前比較成熟儲(chǔ)能技術(shù)主要有：水力蓄能、壓縮空氣蓄能、液流電池、鉛酸電池、飛輪蓄能、超級(jí)電容等等。如圖所示，根據(jù)儲(chǔ)能規(guī)模的不同，每種技術(shù)都有其不同的適用范圍。

各儲(chǔ)能技術(shù)的功率規(guī)模和儲(chǔ)能時(shí)間對(duì)比，全釩液流電池可以實(shí)現(xiàn)幾十kW到幾十MW的功率規(guī)模，儲(chǔ)能時(shí)間為幾小時(shí)到幾天。

各儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量效率，全釩液流電池(VRB)的效率約70-80%，和水力蓄能(PHS)、壓縮空氣蓄能技術(shù)(CAES)相仿，略低于鋰電池和超級(jí)電容。

各儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展情況。目前技術(shù)最成熟成本最低的儲(chǔ)能技術(shù)是水力蓄能(PHS)，然而這種技術(shù)受到地理?xiàng)l件的限制難以廣泛應(yīng)用。全釩液流電池(VRB)成熟毒中等偏下。相對(duì)于其他技術(shù)，液流電池適用范圍廣，成本也比較適中。目前最主要的應(yīng)用便是風(fēng)電、光伏電場(chǎng)的調(diào)峰。目前全世界有超過(guò)20個(gè)kWh-MWh級(jí)的液流電池商業(yè)示范項(xiàng)目，其中規(guī)模最大的一個(gè)是大連融科儲(chǔ)能的龍?jiān)达L(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。

大連融科儲(chǔ)能負(fù)責(zé)的某全釩液流電池項(xiàng)目，白色圓柱體為儲(chǔ)能罐，中間一排排接管理的方塊為電堆。

當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的規(guī)模達(dá)到一定程度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的支持。分布于電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能站根據(jù)各自環(huán)節(jié)的輸入/輸出波動(dòng)進(jìn)行調(diào)峰，可以平滑輸電系統(tǒng)的負(fù)載，將過(guò)載的可能性降到最低，同時(shí)提高供電的效率和質(zhì)量；在像海島、偏遠(yuǎn)地區(qū)這樣的離網(wǎng)系統(tǒng)，甚至部分城市建筑，儲(chǔ)能系統(tǒng)和新能源的結(jié)合可以帶來(lái)就地的清潔能源解決方案，減少遠(yuǎn)距離輸電的損耗。未來(lái)的儲(chǔ)能站可能和你家小區(qū)的變電站一樣司空見(jiàn)慣。

工業(yè)界了解不多，不敢妄加置喙。液流電池作為一種儲(chǔ)能技術(shù)，很大程度上依附于新能源行業(yè)的發(fā)展，可謂一榮俱榮。面對(duì)油價(jià)下跌的現(xiàn)狀，諸多已經(jīng)上馬的光伏、風(fēng)電項(xiàng)目面臨著成本的挑戰(zhàn)，而一個(gè)高性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以很大的提高電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，儲(chǔ)能技術(shù)將作為一種新的控制手段引入電力系統(tǒng)，有機(jī)會(huì)極大地改變電網(wǎng)的面貌。今年大連理化所的張華民教授獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，也能從一個(gè)側(cè)面反映出政策對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的茲瓷。然而另一方面，在電力設(shè)備這個(gè)薄利行業(yè)里，液流電池畢竟不像電子設(shè)備電源、動(dòng)力電池等行業(yè)擁有高附加值的產(chǎn)品和自由的市場(chǎng)，很難獨(dú)立實(shí)現(xiàn)盈利，其發(fā)展更多的依賴(lài)于政策。目前國(guó)內(nèi)做的比較好的單位主要是大連理化所和大連融科儲(chǔ)能，技術(shù)積累比較深厚。最近一些釩礦企業(yè)也在做相關(guān)的項(xiàng)目，比較占原材料的便宜。

二、技術(shù)

自1985年M.Skyllas-Kazacos成功demo第一個(gè)prototype，全釩液流電池的發(fā)展已經(jīng)有30多年。釩液流電池屬于水系液流電池，使用釩離子的硫酸溶液作為電能的儲(chǔ)存介質(zhì)。作為過(guò)渡金屬，釩的價(jià)態(tài)十分豐(jing)富(fen)，2、3、4、5價(jià)離子在水里均有不錯(cuò)的溶解度，而且顏色也十分好看。釩2價(jià)和5價(jià)離子間有1.25V的電位差，這就給了釩自己和自己組成電池的能力。

這貨的結(jié)構(gòu)，也包括大部分其他液流電池大概都長(zhǎng)這樣，OF小工的答案里也有配圖。

系統(tǒng)由一個(gè)電堆、兩個(gè)儲(chǔ)能罐以及配套的泵和管路組成。電解液平時(shí)存在儲(chǔ)能罐里，充放電時(shí)用泵泵入電堆中進(jìn)行反應(yīng)。電堆的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)三明治，依次為正極集流體，正極碳?xì)郑裟ぃ?fù)極碳?xì)郑?fù)極集流體。正負(fù)極電解液分別在碳?xì)值目紫吨g流過(guò)。充放電時(shí)，電解液里的釩離子在碳?xì)直砻娴檬щ娮樱鴼潆x子穿過(guò)離子交換膜來(lái)維持電中性。這樣的三明治可以任意疊加來(lái)提高電堆電壓。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，儲(chǔ)能罐、電堆、液流泵、BMS和逆變器都可以被整合于一套集裝箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，或站在風(fēng)電場(chǎng)的大平原或站在村口或站在你家小區(qū)的某個(gè)犄角旮旯默默發(fā)揮作用。

釩液流電池的特性帶來(lái)了以下優(yōu)勢(shì)：

1.方便規(guī)模化

對(duì)一個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)講，最重要的性能莫過(guò)于功率和電量。一般來(lái)講，釩電池可以承受的功率和電極面積成正比，也就是和電堆的大小成正比。而電量的多少和電解液體積成正比，也就是和儲(chǔ)能罐的大小成正比。換句話說(shuō)，不論工程項(xiàng)目對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能提出怎樣的要求，攻城獅同學(xué)都能輕松加愉快的作出相應(yīng)設(shè)計(jì)；哪怕遇上奇葩甲方朝令夕改，也能在原有方案上簡(jiǎn)單增減儲(chǔ)能罐和電堆的數(shù)目來(lái)調(diào)整。

不要小看這一點(diǎn)，此等優(yōu)勢(shì)鋰離子電池是非常羨慕的。鋰離子電池的儲(chǔ)能材料涂覆在集流體表面做成電極，其工藝和性能是出場(chǎng)前就由化學(xué)家設(shè)計(jì)好的，很難根據(jù)具體工程項(xiàng)目調(diào)整。那么，想提高功率怎么辦？增大電極面積。想提高能量怎么辦？增大電極面積。于是乎，在鋰離子電池功率和密度是直接相關(guān)的，工程上這叫耦合。攻城獅童鞋灰常討厭這種事情。

釩電池的架構(gòu)更重要的優(yōu)勢(shì)在于可擴(kuò)展性。一個(gè)能存一度電的釩電池和一個(gè)能存一萬(wàn)度電的釩電池，結(jié)構(gòu)和控制方法是基本相同的，而且還因?yàn)橐?guī)模化的原因成本有所降低。儲(chǔ)能電解液只要攪一攪，混合均勻就能保證充放電深度的一致性。而如果你想做一個(gè)同樣規(guī)模的鋰電池系統(tǒng)，只能單純的堆電池的數(shù)量，同時(shí)需要及其復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)(BMS)來(lái)管理每一節(jié)電池的溫度和充放電深度(SOC)，否則出現(xiàn)過(guò)充過(guò)放過(guò)熱都會(huì)導(dǎo)致電池報(bào)廢甚至危險(xiǎn)。一輛特斯拉用數(shù)千塊電池組成的MWh級(jí)電池組已經(jīng)很瘋狂了，全靠松下18650優(yōu)秀的一致性和強(qiáng)大的BMS才撐起來(lái)。如果在這個(gè)基礎(chǔ)上再做大100倍，系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)極大的增加成本。

2.壽命長(zhǎng)

市場(chǎng)上的鋰離子電池壽命大約是1000-5000次。鋰離子電池的儲(chǔ)能原理主要是鋰離子在固態(tài)電極上的嵌入和脫嵌。電極材料在鋰離子的反復(fù)抽插（誤）下發(fā)生應(yīng)力的變化，久而久之產(chǎn)生裂紋最終導(dǎo)致衰退。然而釩電池的充放電機(jī)理是化合價(jià)的變化，這是一個(gè)完全可逆的過(guò)程，實(shí)驗(yàn)室里循環(huán)測(cè)試的次數(shù)都是以萬(wàn)次為單位計(jì)的。考慮到系統(tǒng)中其他部件的壽命，能用半個(gè)世紀(jì)是完全做得到的。用在你家變電站里，就省去了很大一筆維護(hù)的費(fèi)用。

即使和其他液流電池技術(shù)相比，釩電池的耐久性能也是吊打全場(chǎng)的。液流電池電堆的正負(fù)極之間是用一層離子交換膜隔開(kāi)的，避免正負(fù)極電解液混合發(fā)生交叉污染。然而現(xiàn)在即使是性能最好的Nafion膜也做不到密不透風(fēng)，天長(zhǎng)日久總會(huì)有一部分離子滲透到對(duì)面去。對(duì)于不對(duì)稱(chēng)的液流電池來(lái)說(shuō)，正極的離子在負(fù)極上無(wú)法參與電極反應(yīng)，這就導(dǎo)致容量緩慢下降直到最終降原來(lái)的一半。然而對(duì)于釩電池來(lái)說(shuō)，正負(fù)極正負(fù)極電解液成分都一樣，隨你咋滲透，反正我充充電自己就充回來(lái)了╮(╯▽╰)╭

需要長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)能時(shí)，電堆中的電解液可以排空以阻止正負(fù)極電解液的接觸，故釩電池的自放電率也比較低，存儲(chǔ)時(shí)間可在幾小時(shí)到幾天。

3.安全性

上文提到過(guò)，鋰電池組需要復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)來(lái)防止過(guò)充過(guò)放和過(guò)熱，過(guò)充和大電流會(huì)導(dǎo)致電極材料失效報(bào)廢，電池膨脹漏液甚至析鋰短路。電池中的碳材料和碳酸酯電解液都是易燃物，如泄露容易導(dǎo)致起火爆炸。

然而在釩電池利用的是水溶液中釩離子可逆的化學(xué)價(jià)變化，性能不依賴(lài)于電極結(jié)構(gòu)，所以即使遭受大電流的虐待也十分耐艸（誤）。同樣過(guò)充也只會(huì)導(dǎo)致水的電解，只要及時(shí)泄壓排出氫氣就沒(méi)有問(wèn)題。至于起火……你覺(jué)得水溶液會(huì)起火么？╮(╯_╰)╭

如果說(shuō)有什么安全上顧慮的話，那就是電解液的酸性。釩電池電解液含有較濃的硫酸(2-3mol/L)來(lái)提高五價(jià)釩的溶解度和水的析氧電位，同時(shí)五價(jià)釩有一定毒性。然而綜合全壽命周期來(lái)看，釩電池的環(huán)境友好性相對(duì)鉛酸電池仍有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

有盔甲就有軟肋。釩電池的軟肋就在于其較低的能量密度，只有15-40Wh/L，甚至不如鉛酸電池，導(dǎo)致設(shè)備體積重量大，很難應(yīng)用于移動(dòng)電源。釩鹽本身分子量較大，在水中的溶解度也有限。市場(chǎng)上的電解液通常用1.5-2mol/L的釩溶液，目前的世界紀(jì)錄是3mol/L。答主手頭的項(xiàng)目就是在試圖刷新這個(gè)數(shù)字，很慚愧，目前就做了這一點(diǎn)微小的工作。

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，釩電池的性能已經(jīng)被挖掘到接近天花板，學(xué)界也在嘗試?yán)闷渌碾娀瘜W(xué)體系。其中商業(yè)化較成熟的技術(shù)有鈉-多硫液流電池，鋅-溴半液流電池（鋅負(fù)極為金屬電極），水系液流電池的能量密度的記錄保持者為鋅-多碘液流電池(zinc-polyiodide,167Wh/L)，而有機(jī)體系能量密度的記錄保持者為鋰-硫半固態(tài)液流電池(lithium-sulfursemisolid)。其他體系就不展開(kāi)講了。