储能领域的新星-全钒液流电池

2020年9月，国家主席习近平在联合国大会上作出了碳排放 2030年前达到峰值、2060 年前实现碳中和的国际承诺。按照实现2030年碳达峰的目标进行计算，2025年末风电和太阳能发电装机规模要较目前增加一倍，日内新增功率波动最大超过2亿千瓦，电力系统平衡难度大幅增加。

规模化储能可为系统提供强大的调峰手段以及灵活、可靠、快速的频率调节和惯量支撑手段，有效降低新能源弃电率和系统频率越限和失稳风险。因此储能的发展已成为实现碳达峰和碳中和目标中日益迫切的需求。

储能的方式多种多样，有物理储能、化学储能、电磁储能等，物理储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等，电化学储能包括铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、锂离子电池等，电磁储能包括超导电磁储能、超级电容器储能等。

本节主要介绍一下氧化还原液流电池体系中的全钒液流电池。

全钒液流电池是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一，具有大功率、长寿命、可深度大电流密度充放电等明显优势，已成为液流电池体系中主要的商用化发展方向之一，适合于规模化应用。

全钒液流电池储能系统主要包括电堆、电堆模块、储液罐、泵模块等。

电堆是一款独立、密封设备，由一系列完全相同的单体电池组成。每片电池包括两片半电池，中间被离子交换膜隔开。电池充电或放电过程中，电化学反应都发生在两片半电池上。

当已充电的电解液进入电堆中，不同形态的钒离子在交换膜之间迁移使得电子在外电路形成回路，用于为外部负载供电。

当电流从外部电源进入到电堆中，发生相反的过程并且给电解液充电。

电堆模块由钢架、电堆和管路系统等部件组成。

钢架用于组件的支撑和固定，管路系统用于全钒液流电池储能系统中电解液的循环和流通。

泵模块由两台电解液传送泵，两台电解液换热器，PLC控制柜，高压直流输电柜，泵变频器柜，管路系统，手动/电动阀和传感器组成。两台泵分别运送在电解液罐和电堆之间的正负极电解液，与钢架或其他组件在电气上是绝缘的。两台换热器主要用于维持正负极电解液温度在特定的范围内，并带走电解液中多余的热量。PLC模块收集不同传感器的数据（包括温度/压力/电压/电流等）并计算，用于控制泵速、开关电动阀、执行充放电和控制运行参数在正常的工作范围之内。高压直流输电柜包括断路器、隔离器和接触器，用于连接电堆和PCS并且执行保护功能。 泵变频器接受PLC下达的频率指令通过调节泵速改变泵出口端压力。管路系统用于连接电解液罐模块和电堆模块的管路，输送电解液。

电解液罐模块由正负极电解液储液罐，电解液管路，电动阀，传感器，排气管路，氮气供应装置和真空破坏器组成。

能量被存储在电解液中，电解液的量决定了系统储能的容量。电解液管路与泵模块的管路连接，用于罐内电解液的输送。在充放电过程中，电解液化学反应会产生极少量的废气，通过排气管路释放到空气中。氮气供应装置为电解液提供气氛保护，同时控制进罐氮气的压力。在放电过程中，负极电解液容易被氧化，这将导致电解液效率降低并且加速结晶。加入氮气就是为了阻止电解液和空气（尤其是氧气）接触，阻止电解液发生氧化。真空破坏器用稀硫酸密封罐内的氮气，当罐内氮气压力超过限定值，真空破坏器会释放罐内气体防止由罐内超压造成的罐体破坏。

全钒液流电池储能系统是一种电能储存系统，在充电过程中将电能转换为化学能，放电过程中将化学能转化为电能。能量以化学形式存放在硫酸电解液中不同的钒离子形态里面。电解液被泵从储液罐送入液流电池，穿过质子交换膜，一种形态的电解液被氧化，另一种被还原。产生的电流通过电极，在外电路上形成回路。这种反应是可逆的，确保电池可以反复充放电。

氧化还原液流电池概念图

上图展示了钒电池工作原理：两个电解液罐装有不同氧化状态的钒离子（正极：V (IV)/V (V)氧化还原对；负极：V (II)/(III)氧化还原对）。电解液被泵送到电堆中。电堆由多片电池组成，每片电池包含两片半电池，半电池中间被膜隔开。在半电池，电化学反应发生在惰性碳毡组成的电极上，产生的电流用于电池充放电。

钒电池在两种半电池电解液中使用的都是钒离子，所以离子通过隔膜的交叉污染不会影响到电池的容量。如果液流电池在正负极半电池中使用的是不同的金属离子，就会有这种影响。钒离子半电池溶液甚至可以通过混液，使系统回到初始的状态。

系统的电堆设计使一种电解液流到正极电极，另一种流到负极电极，电堆中所有的电池串联在一起，通过相同的电流。这样的系统具备很多优势，如高效率、长寿命、易于扩展、受环境影响小。电池系统利用电解液储存能量，通过电堆转换能量。

目前世界各国已经建成了大量全钒液流电池实验工程并取得良好的成果，从全钒液流电池的应用领域和经济性来看，液流电池也有着广阔美好的发展前景。