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全钒液流电池优缺点
全钒氧化还原液流电池的优缺点:
1.应用范围广
可用于风电市场、国家电网调峰、新能源电动汽车电源、ups电源和EpS应急电源、配电、特种蓄电池和光伏发电。
2.灵活的设计理念，良好的充放电性能和高容量。
钒电池的功能非常灵活，功率和体积都可以独立设计。额定功率的关键在于电堆，可以通过改变单电池数量或电极面积来提高。体积的重要关键是钒离子的量，可以通过提高电解液的体积和钒离子的浓度来构建。
3.该系统可全自动封闭运行，制造成本低，环保无污染。
对环境具有高自然适应性的电池的性能受环境温度的影响较小。当环境温度完全恢复时，电池容量也可以完全恢复。该系统可在全自动封闭模式下工作，不会产生有机气体和废电解液。
4.不像锂离子电池那么容易引起爆炸，安全性高。
戒备森严。由于其活性物质存在于电解液中，不会引起图像变化，可以深度放电，不影响电池寿命。此外，反应过程中不会产生H2等气体，不存在爆炸危险和短路故障。
5.高能效、高性价比、长寿命
长寿。深度放电循环性能强，过放电后再充电即可轻松完全恢复容量，超深度放电不会对电池造成不可逆的损伤。
缺点:1.储能技术成本太高，难以大规模应用。
全钒氧化还原液流电池储能技术成本还是比较高的。这给大规模应用带来了困难。
2.技术生产工艺不稳定，漏技术没有攻克。
钒液流电池还受到电解液、离子交换膜等重要材料的制约。最终会有多大的进步取决于技术和市场。
全钒液流电池的发展前景作为储能领域的新秀，为什么全钒氧化还原液流电池会受到如此多的关注？全钒氧化还原液流电池未来发展前景如何？为此，记者采访了多位业内人士。
安全性和可回收利用的优势显而易见。
全钒氧化还原液流电池通过不同价态的钒离子的相互转化，实现储存和释放化学能的充放电过程。不同于目前储能电站的主流电池——采用非水电解液的锂离子电池，由于全钒液流电池的电解液离子存在于水溶液中，过热爆炸的可能性大大降低，液流电池的安全性能使其在电池领域脱颖而出。
“坦率地说，锂离子电池仍然面临着安全问题的挑战。锂离子引发的爆炸事故不仅仅是经济损失的问题，更是严重的人身伤害。”中科院大连化物所清洁能源国家实验室储能技术研究部主任张华敏说，“但全钒电池是稀硫酸和钒的水溶液，只要管理得当，不存在爆炸的危险。”
北京普能世纪科技有限公司在全国多地建设了全钒液流电池储能项目。该公司亚太区经理邝振仁告诉记者，“与锂离子电池相比，全钒氧化还原液流电池具有突出的特点。最大的特点就是安全。全钒氧化还原液流电池可以做到兆瓦级和百兆瓦级。做电动车规模的锂离子电池更合适，但是做大了就没那么安全了。”
同时，张华敏指出，全钒氧化还原液流电池的另一个优势是其电解液在废物回收后可以重复使用。近年来，随着电动汽车产业的扩大，大量废弃的锂离子电池因重金属镍和钴而不得不进行大规模回收，这已成为行业内亟待解决的问题。而全钒氧化还原液流电池的充放电主要是由于钒离子价态的变化。张华敏指出，“电解液在充放电过程中不会产生杂质和环境污染物，回收的电解液经过处理后仍具有使用价值，相当于一种可以保值的‘半永久’产品。”
值得一提的是，全钒氧化还原液流电池除了具有安全、可循环利用的优势外，寿命周期相对更长，目前建设的储能电站使用寿命可达15年左右。“全钒氧化还原液流电池储能电站建设成本较高，但千瓦时电成本可能低于锂离子电池。”匡仁说。原材料成本波动。虽然全钒液流电池具有突出的优势，但作为稀有金属，钒的原料成本是限制全钒液流电池发展的重要因素。据了解，钒通常以化合物的形式存在于地壳中，其重要分布区域为中国、俄罗斯和南非，其中中国的钒资源约占全球总量的1/3。“在材料掌握上，全钒液流电池的关键材料钒在国内具有矿山产区优势，因此具有开发价值。”咨询公司EnergyTrend的研究经理卢说。事实上，钒的用途非常广泛，最重要的应用是在钢铁工业中。作为铁的合金元素，钒可以提高钢的硬度。早在2012年，国家发改委就发布了《钒钛资源综合利用及产业发展“十二五”规划》，提出了提高资源利用水平、淘汰落后产能的要求。“2018年钒的表现非常突出，一度涨到2017年价格的5、6倍。”匡仁说。之所以出现如此大幅的上涨，业内分析认为，一是因为2018年国家提高钢标，使得原料钒的需求大幅增加；二是由于国家环保政策“一刀切”，部分钒矿因环保不达标而关停，导致钒供应量减少。据记者了解，目前全钒液流电池储能电站的成本中，钒电解液的成本占到60%以上。“如果钒的价格能回到正常水平，降低成本将非常重要。”不过，钒的价格上涨也带动了钒矿开发商的热情。从市场来看，钒的供应近期有所回暖。邝振仁说，“从2018年底开始，钒的价格下降了。预测2019年钒价将继续下行，但未来仍要看政策和市场的综合表现。”产业链的形成还需要时间。资料显示，近年来全钒氧化还原液流电池的电成本大幅下降。2015年全钒液流电池储能电站电费约4500元。据预测，到2020年，电费将降至2000元。随着电池成本降低，技术优势明显，全钒液流电池离规模化发展还有多远？“全钒氧化还原液流电池研发时间比较短。目前国家对氧化还原液流电池的支持力度比较小。从科研经费和产业支持来看，国家对全钒液流电池的投入远远小于对锂离子电池的投入。像锂离子电池这种从材料到应用的完整产业链的形成还需要时间。”张华敏坦率地说。此外，记者了解到，由于钒在水中的溶解性，全钒氧化还原液流电池与锂离子电池和另一种储能“热点”全固态电池相比，始终存在能量密度低的缺点。电解质溶液导致相对较大的电池体积，这需要复杂的管道系统。所以液流电池不适合电动车等移动设备，仅限于固定储能。虽然它的应用仍然有限，但许多行业专家都对它表示了信心。“如果加大投入，全钒氧化还原液流电池在性能和成本控制上还有很大的发展空间，远没有触及‘天花板’。”张华敏说。鲁也认为，全钒氧化还原液流电池在低温或极端高温环境下会比锂离子电池、铅酸电池更安全可靠，仍有其特定的市场需求。
什么是液流电池？
电池是我们每个人都不陌生的一类储存并提供能源的装置，从一次性使用的干电池到汽车上的铅酸电池、电脑和手机上的锂离子电池等可反复充放电的蓄电池。电池保证了我们在远离电网时也可以随心所欲地用电，给生活带来了极大的便利。不过有一种电池，相信许多朋友比较陌生，它的名字叫液流电池 (flow battery)。那么液流电池是怎样的一种电池，与传统的电池相比又有哪些优点？要回答这些问题，我们首先要从目前如火如荼的新能源开发说起。
一位记者走过位于日本的一台液流电池装置
随着煤、石油、天然气等化石燃料的储量逐渐减少，以及燃烧化石燃料造成的温室效应问题日趋严重，各国政府都把开发利用新能源提到重要的议事日程上来。随着人们重视程度的提高以及相关技术的进步，太阳能、风能等可再生能源在电力供应中所占的比例越来越高。
然而与传统的火力发电相比，这些新能源形式有一个内在缺陷，那就是它们的正常运转受到自然条件的限制，造成电能的输出与用户的需求往往不能很好地匹配。例如用太阳能给一个住宅区供电，白天居民大多不在家，太阳能电池产生的电能供大于求，白白浪费掉；到了晚上居民下班回家，用电量激增，太阳能电池此时却又无法正常供电。
为了解决新能源不稳定的问题，我们通常需要提供一定的储能系统与之配合，在发电能力超过实际需要时将多余的电能转化为其它形式的能量储存起来，而发电能力不能满足需要的时候又可以将储存的能量重新转化为电能。可以说，开发与新能源配套的储能技术的重要性并不亚于开发新能源技术本身。
那么如何将多余的电力供应储存起来？我们可以通过修建抽水蓄能电站的办法，在电能过剩的时候用多余的电能将水从低处移动到高处，也就是将电能转化为水的重力势能，当供电能力不足时再让水从高处落下将水的势能转化为电能。我们还可以用多余的电能压缩空气，等到电能供不应求时释放被压缩的空气，使其推动发电机发电。
不过这些技术虽然可以将电能转化为其它形式的能量储存起来，在实际应用中仍然存在一定的局限，例如抽水蓄能电站的修建通常必须依赖于一定的地形。因此人们更希望用电池来完成这一任务，也就是将电能转化为化学能储存起来。尤其是可以反复充放电的二次电池，也就是俗称的蓄电池，更是辅助新能源的不二选择。
然而实践起来人们却发现，“老革命”遇到了新问题，许多业已成熟的电池技术却力不从心了。那么究竟是为什么呢？这要从常见电池的结构说起。
以经常用于汽车的铅酸蓄电池为例，它的基本结构是将二氧化铅和金属铅制成的电极插入到稀硫酸溶液中。当电路接通时，正极的二氧化铅得到电子变成硫酸铅，而负极的铅失去电子，也变成硫酸铅。当铅和二氧化铅的固体都变成硫酸铅后，我们就会发现，电池没电了。
如果这个时候我们将两边的硫酸铅分别与外加电源相连，在电流的作用下，连接电源正极的硫酸铅失去电子变成二氧化铅，而连接电源负极的硫酸铅得到电子变成铅。如果将外加电源撤去，铅与二氧化铅又可以发生化学反应并释放出电能，也就是说，电池的电量又重新被充满了。
除了铅酸电池，常见的镍镉电池、锂离子电池等蓄电池和碳锌电池（干电池）等一次性的电池，构成正负电极的材料也不仅仅是作为导体传递电流，而是同时参与电化学反应。也就是说，固体电极构成了电池储能的载体。这样的好处是很明显的：电池可以被设计得小巧紧凑，非常适合于“寸土寸金”的便携式设备。
然而将传统的蓄电池应用于新能源的储能却遇到了一个很大的麻烦：新能源供电的不稳定性意味着与之配套的储能设备需要能够很灵活地调节要储存能量的总量以及提供能量的功率。然而对于依靠固体电极的传统电池，一块电池能够储存多少电能，这些电能能够以多大的功率被释放出来，在它被封装好离开流水线的那一刻就已经被固定下来，使用者很难再去根据需要进行调节。
那么如何克服这个缺陷？解决的办法就是让固体电极只负责传递电流，储存电能的任务改由液态的反应物来承担，这也就是液流电池的基本原理。例如目前发展较为成熟的全钒液流电池，其基本构造是一个被选择性渗透膜隔开的腔体，腔体的两侧各有一个固体电极。如果我们在腔体的两侧分别加入含有两种不同钒离子的酸溶液，那么在电池放电时，两级分别会发生这样的反应：
总的结果是两种含有钒的化合物变成了另外两种钒的化合物，而反应中产生的电能就通过电极源源不断地输出到外部电路中。而电池充电时，上面这个反应又反过来进行。
液流电池的基本原理：在电池内部，正负极的反应物被半透膜隔开。无论充电还是放电，所有的化学反应都在溶液中进行，反应结束后溶液可以通过泵从电池中抽走，同时新的待反应的溶液从储料罐中被注入到电池内部。图片引自参考文献[1]
无论是充电还是放电，只要反应进行完全，那么能量的转化也就宣告结束。但与传统电池不同的是，对于液流电池，我们可以用泵将已经转化好的溶液从电池中抽走，再将尚未反应过的溶液注入到电池中，那么充电或者放电过程就可以继续进行。这种电池的能量转化不再依赖于固体电极，而是流动的液体，因此得名液流电池。
相比于使用固体电极的传统电池，液流电池有一个明显的好处就是赋予了使用者更大的自由来调节电池的性能。如果我们需要增加电池的储能容量，不需要改变电池的构造，只要把更多存有钒离子溶液的储料罐与电池相连，或者提高溶液中钒离子的浓度就可以了。如果需要提高电池的输出功率呢？也不难做到，只需要将几个相同的电池连接起来，增大两种溶液互相接触的面积，让单位时间内有更多的溶液发生化学反应。使用上的灵活性，让液流电池能够更好地发挥能量存储的功能。
与太阳能电池联用的全钒液流电池
与传统蓄电池相比，液流电池还有一个显著的优点就是电池变得更加容易维护。在前面我们提到，传统的蓄电池构成固体电极的材料总是在放电时转化为另一种物质，而充电时又变回到原先的物质，例如铅酸蓄电池中铅与硫酸铅之间的转化、镍镉电池中金属镉与氢氧化镉之间的转化等等。然而在实际操作中所发生的往往并不像写在化学反应式中的那么简单。例如构成电极的固体材料经过一个放电-充电循环，虽然回到了最初的化学组成，但是它的结构可能已经发生了改变，而这就不可避免地影响到电池的性能，甚至有可能造成安全事故。相反，在液流电池中，化学反应在溶液中进行，固体电极只是负责传输电流，较少受到各种副反应的干扰。因此，液流电池往往可以比传统的蓄电池经受更多的充放电循环而保持性能基本不受影响。
说了这么多液流电池的优点，我们也要谈谈它的局限性。由于不再像传统蓄电池那样将能量储存在固体材料中，液流电池难以避免的一个缺点是单位质量能够提供的电能要大打折扣，因为溶液的浓度再高，仍然会有大量的溶剂对于对电能的存储毫无贡献。这就好比同样大小的钱包，一个人将它塞满了钞票，另一个人却除了钞票还要放进草纸，两个人一起上街，谁能买到更多的东西自然不言而喻。例如前面提及的全钒液流电池，单位质量能提供的能量只有锂离子电池的20%左右[1]。即便液流电池并不用于便携式设备，人们仍然希望它们越小越好。另外，如何通过使用更为低廉的材料降低液流电池的成本也是目前研究人员努力的一大方向。
当然，有缺点并不可怕，关键是我们如何通过技术的进步来逐渐克服这些缺点。事实上，液流电池技术实际上早在上世纪70年代就已经出现，但直到近些年来人们才意识到它的价值。目前关于液流电池的研究已经成为相当热门的一个领域。相信在不久的将来，这种独特的电池技术能够为解决人类的能源问题发挥更大的作用。
参考文献
[1] Bruce Dunn, Haresh Kamath, Jean-Marie Tarascon, “Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices”, Science, 2011, 334, 928
（作者：魏昕宇）
新液流电池用有机物储存能量
《TechXplore》March 16, 2022
为了有效利用绿色能源，我们需要大规模的储能装置来提供稳定的电流。相比普通电池，液流电池通过液体的电化学变化来储存电能，就成为非常有吸引力的方式。大多数研发中的液流电池使用稀有金属而且价格昂贵，因此液流电池的普及受到掣肘。在三月8日出版的《Journal of the American Chemical Society》上的一篇文章中，荷兰格罗宁根大学（University of Groningen）的科研团队新开发了一种液流电池，解决了普通液流电池的这两个难题。
液流电池通过两个分隔开的液体，里面有化合物来储存电能，液体流过一个带有隔膜的电化学池，在隔膜上进行离子交换达到电能的储存及释放。液流电储存的能量可以很方便地通过增加储液罐的尺寸来放大。最近中国安装了一个液流电池作为绿色电能的储能设施，用来补偿绿色电能如风电和光电的间断性问题，这类液流电池基于80年代的技术，使用了金属钒作为储能载体。世界上只有几个钒矿，钒的价格非常昂贵，而且这类液流电池的隔膜也是特殊类型，增加了液流电池的成本。
格罗宁根大学的团队和荷兰埃因霍芬大学（University of Eindhoven）和丹麦技术大学（Technical University of Denmark）合作，设计了一种新型液流电池。这是一个对称的液流电池，两边储液罐里面的液体是一样的，储能的载体是有机分子而不再是金属元素。这个有机物被称为Blatter自由基，在一个氧化还原反应时既能接受电子又能给出电子，而且具本征稳定性。他们在一个液流电池上测试了这种化合物，在充放电275次后仍然稳定。现在团队继续实验，测试化合物上千次充放电的稳定性。这个有机化合物现在还不是大规模化工产品，但是其生产很容易被量产。使用这个化合物还有一个优势，就是即使有些化合物渗透了隔膜，引起两边不平衡，但是很容易通过改变电流的流向得以纠正。现在团队在开发一种水溶性的Blatter自由基，其他液流电池都使用水作溶剂，而且水不会燃烧。
“液流电池”技术支撑续航600公里又一款新能源跑车获准上路
早在今年3月的日内瓦车展上，新能源概念车Quante-Sportlimousine就受到了广泛关注。现在这款新车已经获准在欧洲上路，或许很快就能从概念转变为实际产品。Quante-Sportlimousine的核心在于所谓的“流动电池”技术NanoFlowcell系统。液流电池结合了电化学电池和燃料电池的各个方面。液态电解质存在于两个电池隔室中，并在电池中循环。系统中央有一个隔膜，将两种电解质溶液隔开，但它仍然可以让电荷循环，从而发电。“电动”的大前提并没有影响Quante-Sportlimousine的出色性能，它采用了全轮驱动，配备了四个三相感应电机。据厂家介绍，新车最高时速380km/h，百公里加速仅需2.8秒，单次充电可跑400至600km。
