釩的新應(yīng)用--釩電池
　　釩電池是目前發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一（它的制造、使用及廢棄過(guò)程均不產(chǎn)生有害物質(zhì)），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(chǎng)、程控交換站備用電源；可作為太陽(yáng)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(zhǎng)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(shì)。釩電池生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)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，無(wú)論是在大規(guī)模儲(chǔ)能還是電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的應(yīng)用前景方面，都更具競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。
　　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(zhì)呈循環(huán)流動(dòng)液態(tài)的氧化還原電池。早在60年代，就有鐵—鉻體系的氧化還原電池問(wèn)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士大學(xué)的Marria Kacos提出，經(jīng)過(guò)十多年的研發(fā)，釩電池技術(shù)已經(jīng)趨近成熟。在日本，用于電站調(diào)峰和風(fēng)力儲(chǔ)能的固定型（相對(duì)于電動(dòng)車用而言）釩電池發(fā)展迅速，大功率的釩電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已投入實(shí)用，并全力推進(jìn)其商業(yè)化進(jìn)程。前期工作：我單位從1995年率先在國(guó)內(nèi)開始釩電池的研制。先后研制成功了20W、100W、500W的釩電池樣機(jī)，在釩電池的關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。成功開發(fā)了四價(jià)釩溶液制備、導(dǎo)電塑料成型及批量生產(chǎn)、中型電池組裝配和調(diào)試等技術(shù)。1998年，500w的釩電池樣機(jī)用于電瓶車的驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)已研制出800W的產(chǎn)品樣機(jī)。主要參數(shù)如下：?jiǎn)误w數(shù)：10個(gè)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(tài)）：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(tài)）：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。
　　釩電池（VRB）是一種可以流動(dòng)的電池，目前正在逐步進(jìn)入商用化階段。VRB作為一種化學(xué)的能源存儲(chǔ)技術(shù)，和傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池相比，它在設(shè)計(jì)上有許多獨(dú)特之處，性能上也適用于多種工業(yè)場(chǎng)合，比如可以替代油機(jī)、備用電源等。利用VRB技術(shù)設(shè)計(jì)制造的VESS系統(tǒng)（VanadiumEnergy Storage System，即釩能源存儲(chǔ)系統(tǒng)），其設(shè)計(jì)和操作特性在VRB的基礎(chǔ)之上被優(yōu)化，而且集成了許多自動(dòng)化的智能控制和用于管理操作的電子裝置。簡(jiǎn)單地說(shuō)，釩電池將存儲(chǔ)在電解波中的能量轉(zhuǎn)換為電能，這是通過(guò)兩個(gè)不同類型的、被一層隔膜隔開的釩離子之間交換電子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電解液是由硫酸和釩混合而成的，酸性和傳統(tǒng)的鉛酸電池一樣。由于這個(gè)電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，所以VRB電池既可以充電，也可以放電。充放電時(shí)隨著兩種釩離子濃度的變化，電能和化學(xué)能能相互轉(zhuǎn)換。 VRB電池由兩個(gè)電解液地和一層層的電池單元組成。電解液地用于盛兩種不同的電解液。每個(gè)電池單元由兩個(gè)“半單元”組成，中間夾著隔膜和用于收集電流的電極。兩個(gè)不同的“半單元”中盛放著不同離子形態(tài)的釩的電解液。每個(gè)電解液池配有一個(gè)泵，用于在封閉的管道中為每一個(gè)“半單元”輸送電解液。當(dāng)帶電的電解液在一層層的電池單元中流動(dòng)時(shí)，電子就流動(dòng)到外部電路，這就是放電過(guò)程。當(dāng)從外部將電子輸送到電池內(nèi)部時(shí)，相反的過(guò)程就發(fā)生了，這就是給電池單元中的電解液充電，然后再由泵輸送回電解液池。在 VRB中，電解液在多個(gè)電池單元間流動(dòng)，電壓是各單元電壓串聯(lián)形成的。標(biāo)稱電壓是1.2V。電流密度由電池單元內(nèi)電流收集極的表面積決定，但是電流的供應(yīng)取決于電解液在電池單元間的流動(dòng)，而不是電池層本身。VRB電池技術(shù)的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是：峰值功率取決于電池層總的表面積，而電池的電量則取決于電解液的多少。在傳統(tǒng)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(qiáng)烈地依賴于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(lái)講，不同等級(jí)的能量可以為電池層中不同的電池單元或單元組中通過(guò)提供足夠的電解液來(lái)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(lián)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(jìn)行。
　　釩電池（VRB）是一種可以流動(dòng)的電池，目前正在逐步進(jìn)入商用化階段。VRB作為一種化學(xué)的能源存儲(chǔ)技術(shù)，和傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池相比，它在設(shè)計(jì)上有許多獨(dú)特之處，性能上也適用于多種工業(yè)場(chǎng)合，比如可以替代油機(jī)、備用電源等。利用VRB技術(shù)設(shè)計(jì)制造的VESS系統(tǒng)（VanadiumEnergy Storage System，即釩能源存儲(chǔ)系統(tǒng)），其設(shè)計(jì)和操作特性在VRB的基礎(chǔ)之上被優(yōu)化，而且集成了許多自動(dòng)化的智能控制和用于管理操作的電子裝置。簡(jiǎn)單地說(shuō)，釩電池將存儲(chǔ)在電解波中的能量轉(zhuǎn)換為電能，這是通過(guò)兩個(gè)不同類型的、被一層隔膜隔開的釩離子之間交換電子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電解液是由硫酸和釩混合而成的，酸性和傳統(tǒng)的鉛酸電池一樣。由于這個(gè)電化學(xué)反應(yīng)是可逆的，所以VRB電池既可以充電，也可以放電。充放電時(shí)隨著兩種釩離子濃度的變化，電能和化學(xué)能能相互轉(zhuǎn)換。 VRB電池由兩個(gè)電解液地和一層層的電池單元組成。電解液地用于盛兩種不同的電解液。每個(gè)電池單元由兩個(gè)“半單元”組成，中間夾著隔膜和用于收集電流的電極。兩個(gè)不同的“半單元”中盛放著不同離子形態(tài)的釩的電解液。每個(gè)電解液池配有一個(gè)泵，用于在封閉的管道中為每一個(gè)“半單元”輸送電解液。當(dāng)帶電的電解液在一層層的電池單元中流動(dòng)時(shí)，電子就流動(dòng)到外部電路，這就是放電過(guò)程。當(dāng)從外部將電子輸送到電池內(nèi)部時(shí)，相反的過(guò)程就發(fā)生了，這就是給電池單元中的電解液充電，然后再由泵輸送回電解液池。在 VRB中，電解液在多個(gè)電池單元間流動(dòng)，電壓是各單元電壓串聯(lián)形成的。標(biāo)稱電壓是1.2V。電流密度由電池單元內(nèi)電流收集極的表面積決定，但是電流的供應(yīng)取決于電解液在電池單元間的流動(dòng)，而不是電池層本身。VRB電池技術(shù)的一個(gè)最重要的特點(diǎn)是：峰值功率取決于電池層總的表面積，而電池的電量則取決于電解液的多少。在傳統(tǒng)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(qiáng)烈地依賴于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(lái)講，不同等級(jí)的能量可以為電池層中不同的電池單元或單元組中通過(guò)提供足夠的電解液來(lái)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(lián)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(jìn)行。
　　VRB電池用于通信，其優(yōu)點(diǎn)明顯：
　?。?）能量循環(huán)效率高；
　?。?）深度放電后壽不會(huì)受影響；
　?。?）不會(huì)由于電解液的腐蝕而使化學(xué)特性受到影響；
　　（4）電解液可以無(wú)限期使用（沒有處理的問(wèn)題）；
　　（5）循環(huán)壽是無(wú)限的（僅受隔膜的限制）；
　?。?）能量的存儲(chǔ)量可以精確地測(cè)量出來(lái)；
　　（7）在使用中對(duì)環(huán)境的影響很小。這些特性為在各種各樣的通信應(yīng)用中發(fā)展直流能源存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了保障。
　　VESS是把VRB集成起來(lái)的、一個(gè)實(shí)用的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)中采用的專家控制技術(shù)，可以使操作管理、容量管理、日常維護(hù)、糾錯(cuò)處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視和外部通信自動(dòng)化。 VESS放棄了在傳統(tǒng)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(chǔ)和轉(zhuǎn)移的概念來(lái)代替。 VESS在通信中應(yīng)用的一個(gè)主要特征：VESS可以對(duì)現(xiàn)有的通信動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)施做出更有利的使用，而且可以考慮在新的無(wú)污染的通信應(yīng)用中引入能源存儲(chǔ)的基礎(chǔ)設(shè)施。
　　作為一個(gè)單一的能源存儲(chǔ)元件， VESS只需安裝一次就可以多種不同的電壓提供動(dòng)力。相對(duì)于傳統(tǒng)的串聯(lián)型的鉛酸或鎳鎘電池，這種優(yōu)越性是顯著的。
　　從存儲(chǔ)的觀點(diǎn)看，這是因?yàn)椋?br> 　?。?）所有存儲(chǔ)起來(lái)的能量都在電解波中；
　?。?）可以輸出的動(dòng)力取決于電極（層）的尺寸；
　?。?）系統(tǒng)能量的密度可以從物理上和系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量隔離開來(lái)；
　?。?）存儲(chǔ)起來(lái)的能量很穩(wěn)定。
　　從系統(tǒng)運(yùn)行的觀點(diǎn)看，這是因?yàn)椋?br> 　　（1）每一個(gè)單元都具有相同的帶電狀態(tài)；
　?。?）系統(tǒng)可以同時(shí)充電和放電；
　?。?）充電速度比鉛酸電池快；
　　（4）運(yùn)行時(shí)可以有一種或多種電輸入，而且可以輸出多種電壓值；
　?。?）有自動(dòng)功能，可以自動(dòng)整流和自動(dòng)保護(hù)。
　　從系統(tǒng)維護(hù)的觀點(diǎn)，這是因?yàn)椋?br> 　　（1）可以通過(guò)添加電解液來(lái)增加系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)間；
　　（2）系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)可以在任何時(shí)間增加，費(fèi)用只有鉛酸電池的20％;
　　（3）壽長(zhǎng)，5～10年后只需更換部分零部件；
　?。?）維護(hù)量很少。
　　和許多傳統(tǒng)的、二次電池技術(shù)相比，VRB在成本上很有競(jìng)爭(zhēng)性，而且以前認(rèn)為采用鉛酸電池技術(shù)會(huì)很貴或不可能實(shí)現(xiàn)的一些應(yīng)用，現(xiàn)在用VESS就可以很容易實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)于現(xiàn)在的直流電源系統(tǒng)，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，并且能量存儲(chǔ)的成本很低，所以它在通信應(yīng)用中的前景是很誘人的。另外，VESS的能量存儲(chǔ)輕便，并且存儲(chǔ)和使用相互獨(dú)立，所以可以用在通信應(yīng)用的特定場(chǎng)合。替代油機(jī)。通信動(dòng)力系統(tǒng)中通常都使用柴油發(fā)電機(jī)，以便在停電時(shí)提供長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)力。當(dāng)油機(jī)啟動(dòng)和預(yù)熱時(shí)，通常需要一個(gè)電池來(lái)提供短時(shí)間的動(dòng)力。在通信站還經(jīng)常使用UPS來(lái)提供交流不間斷和直流不間斷電源，兩者都需要一個(gè)單獨(dú)的電池。一些小站口使用一個(gè)電池供應(yīng)不間斷的直流電源，不間斷交流電源則通過(guò)逆變需得到。備用系統(tǒng)的油機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)的投資中占了很大一部分，而且需要持續(xù)不斷的機(jī)械維護(hù)以保證其可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，油機(jī)的利用率很低，因此其單位時(shí)間的使用成本是比較高的。而基于VESS的新系統(tǒng)則有潛力替代動(dòng)力系統(tǒng)中的油機(jī)，為UPS和高可靠性的直流電源提供總的、多功能的能量存儲(chǔ)解決方案。替代太陽(yáng)能電池。一些通信管理部門維護(hù)著巨大的、地理分布很廣的太陽(yáng)能電池供電的通信網(wǎng)絡(luò)。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)零件通常是鉛酸電池，這需要的維護(hù)量很大。VE SS有潛力替代太陽(yáng)能電池，減少成本，提高生產(chǎn)率。
　　在典型的通信應(yīng)用中，和鉛酸電池相比，VESS有許多優(yōu)點(diǎn)；
　　（1）自動(dòng)控制功能提供了自動(dòng)保護(hù)、自動(dòng)整流和系統(tǒng)控制界面；
　?。?）內(nèi)部控制單元可以控制其它的系統(tǒng)部件；
　?。?）能量的存儲(chǔ)量可以很精確地直接讀出；
　?。?）壽長(zhǎng)，使用5年左右的時(shí)間后，只需更換部分零部件；
　　（5）能量的存儲(chǔ)量可以在任何時(shí)間添加，成本只有鉛酸電池的20％，約為200 美元/kWh。