因气候变暖,开始向低碳化转型。储能作为低碳过程中不可或缺的一环,近两年来发展飞速。目前主要的储能电池是锂离子电池,但由于锂电池原材料价格逐渐离谱,资本将目光转向了性质优良的液流电池。
钒电池发展历程
液流电池有非常丰富的发展历程,早是美国NASA在1973年开始研究,当时的研究体系主要是Fe(3+)/Cr(2+)电对;
1976年,研究学者发现钒可以作为液流电池的活性物质;1958年,学者们在理论上证明了钒电池的可行性,次年,全钒离子氧化还原液流电池正式问世,并获得专利。
随着研究学者的不断深入研究,有关钒电池电极、电解液、隔膜等的文章层出不穷。钒电池优势及缺点逐渐被人们所认知。
钒电池相较于其他储能电池有以下优点。首先是电池容量与输出功率相对独立,电池容量只取决于电解液浓度与电解液的多少,输出功率则取决于电堆的大小;其次钒电池充放电只有钒离子价态的变换,可实现深度放电;同时只有一种离子发生反应,无其他干扰,理论寿命是的;当钒电池系统关闭时,电池无自放电现象,响应速度快,可实现瞬间充电,且无隐患;后是电池的回收处理相较于其他电池更简单方便,对环境无危害。
缺点也很明显,钒电池目前能量密度低,仅能达到40Wh/kg,与一线锂离子电池相差十倍不止;钒电池成本相较于铁锌等其他液流电池来说要高很多,且占地面积大,工作温度区间狭窄,限制了钒电池的应用领域。
钒电池原理及材料
钒电池主要由电解液、电极、选择性质子交换膜、双极板和集流体组成。
其中又以电解液所占成本比例高,能达到50%。正负极电解液的主要成分是不同价态的钒离子硫酸溶液,在工业领域,电解液关键的原料为五氧化二钒,而五氧化二钒的来源,目前国内主流是从钒钛磁铁矿炼钢过程中产生的钒渣中提取五氧化二钒。
目前钒电解液制备方法主要有三种:物理溶解法、化学还原法、电解法。
其中物理溶解法是采取硫酸直接溶解高浓度的硫酸氧钒固体值得;
化学还原法则是采用单质硫、亚硫酸等还原剂在条件下将五价钒还原成四价或三价钒;
电解法是目前主流的制备方法,以五氧化二钒为原料,在硫酸中制得,运行温度一般为零下5℃至50℃。
此外,在电解液中加入一些添加剂也会影响电解液性能。如加入甲磺酸、甘油、正丙醇等添加剂均可提升电解液能量效率或能量密度。
在电极领域,钒电池电极主要有碳素类电极、金属类电极与复合电极。其中碳素电有稳定性强、耐腐蚀、导电性好、成本低等特点,但电化学活性差,有待进一步改进。