全钒液流电池及其三个组件.ppt

全钒液流电池,一、引言,储能技术,物理储能,超导储能,化学储能,飞轮储能,扬水储能,压缩空气储能,超导磁铁储能,铅酸电池,纳硫电池,二次电池（锂离子电池、镍氢电池）,氧化还原液流电池,建造受地域条件限制大,能量在储存和释放过程中损耗严重,效率较低,并一次性投入费用高,放电时间短、技术昂贵,深度放电的循环寿命短,比能量低，在生产和回收过程中会带来很大的环境污染,需在高温下运行,存在较大的安全隐患,价格昂贵和髙温稳定性差,适用于小型便携式电池,电池容量不受电堆大小的限制；自放电程度小；寿命高；能量效率高,图1 各种储能技术的适用的储能容量和应用领域,氧化还原电池的概念最早在1971年由日本Ashimura和Miyake提出。1973年,美国国家航空宇航局(NASA)的Lewis研究中心开始对氧化还原液流电池进行研究。,1974年,Thaller提出了一个以Fe()/Fe()和Cr()/Cr()为氧化还原电对的氧化还原液流电池模型。此后,随着液流电池的发展,陆续出现了Ti/Fe、Zn/Br、V/Br和Fe/Br等氧化还原液流电池。其中Fe-Cr电池是研究的重点体系,研究结果表明：,Cr()/Cr()的可逆性差,且没有合适的隔膜解决Fe和Cr严重相互污染的问题,难以实现商业化。为此人们研究开发了单一金属溶液为电解质的电池,如Cr系、Co系、Ce系和V系。但是结果表明以钒电解液为活性物质的液流电池具有明显的优势。,二、工作原理,钒是一种过渡元素,原子序数为23，位于元素周期表中d区第四周期第V副族，价电子结构为3d34S2,因而可以形成V()、v()、V()和V()四种价态。钒液流电池正是利用V()/V()和V()/V()两对氧化还原电对分别作为负极和正极组成的二次充电电池。,其中负极溶液为V()和 V()电解液，正极溶液为 V()和V()电解液，并分开储存。电池结构主要由电极、隔膜、集流体和端板组成。石墨毡由于比表面积大、耐酸腐蚀和导电性较好，一般用作电极材料；隔膜为质子交换膜，主要将电池内部分成正极室和阴极室及通过质子的交换实现电池内部的导电；集流体采用耐腐烛和导电性较好的导电塑料板；端板采用聚氯乙烯板。电池充放电过程中，电解液通过泵的循环作用，流经石墨毡电极,并在其表面进行电子交换反应，而后再流回储液罐。,V4+、V5+,V2+、V3+,图2 全钒液流电池的工作原理,Charge,Discharge,Charge,Discharge,Charge,Discharge,表1 全钒液流电池的正负极反应,电极材料，是全钒液流电池的不可或缺的部分，是活性物质发生电化学反应的场所，其本身并不参与反应。由于电解液具有强酸性和强氧化性，电极材料必须具备良好的电化学催化活性和导电性以及优良的抗强氧化性、抗腐蚀性和,三、电极材料,机械强度。目前，电极材料主要分为金属电极、碳素电极和复合电极三种。,电极材料,金属电极,碳素电极,复合电极,主要包括Au、Pt、Pd、Ti、Pb等金属，其优点是导电性好、抗腐蚀性强、机械性强。缺点是易钝化、价格昂贵、电化学可逆性差。,主要包括石墨、玻碳、石墨毡等,是碳素材料与高分子基体相互混合而制成，具有优良的电化学性能和应用前景,隔膜在钒电池中的地位非常重要，一直制约着钒电池的发展，它的功能是分离正负极电解液以防止电池短路，同时允许电荷载体(H+，HSO4-等)自由通过保证正负两极电荷平衡而构成电池回路。,理想的电池隔膜应具有如下特点：（1）钒离子透过率低，交叉污染小，降低电池自放电，提高能量效率。（2）离子透过率高，膜电阻小，电压效率高。（3）具有一定的机械强度，耐化学腐蚀、耐氧化，循环寿命较长，价格低。（4）电池充放电时水透过量小，保持阳极、阴极电解液的水平衡。,四、隔膜,隔膜材料,含氟离子膜,非氟离子膜,多孔隔膜,全氟硫磺质子交换膜,偏氟乙烯接枝膜,全氟乙烯接枝膜,聚芳醚类聚合物膜,其他材料,制备方法,物理溶解法,化学还原法,电解法,五、电解液的制备,直接将高纯VOSO4固体溶于H2SO4制备电解液。此法工艺复杂，价格昂贵，难以大规模生产。,利用还原剂和高价的钒氧化物或钒酸盐发生氧化还原反应来制备电解液。操作简单，反应速率快，但反应不完全，导致容量密度和能力密度有所下降。,在阴、阳极电解槽中分别加入V2O5与H2SO4混合溶液和H2SO4溶液，然后通过恒流装置通入直流电流，在电解槽中发生还原、氧化反应。适合大规模生产。,六、应用,全钒液流电池具有能量效率高、寿命长、无污染、安全性高等优势，因此，它有着广泛的用途：可用于电网调峰、平衡负荷，在用电低峰期大规模的将发电厂的大量富余电能储存，在用电高峰期进行供电；与光伏发电和风力发电系统联用，可以大规模的储存太阳能和风能，实现清洁能源的利用及并网发电；作为不间断电源(Uninterruptible power storage,UPS)用于医院、大楼、军事基地、和社区等地的紧急用电；与可再生能源、柴油发电机等相互结合为海岛或偏远地区进行独立供电。,图3 融科储能全钒液流电池系统向辽宁电网送电成功,图4 奥地利10 KWh光伏离网储能钒电池充电站,图5 美国南卡罗来纳州空军基地 60KWh UPS,Thank You!,