釩的新應(yīng)用

釩電池全稱為全釩氧化還原液流電池（VanadiumRedoxBattery，縮寫為VRB），是一種活性物質(zhì)呈循環(huán)流動液態(tài)的氧化還原電池。釩電池是目前發(fā)展勢頭強勁的優(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；價格低廉；應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊：如可作為大廈、機場、程控交換站備用電源；可作為太陽能等清潔發(fā)電系統(tǒng)的配套儲能裝置；為特種、遠洋輪船提供電力以及用于電網(wǎng)調(diào)峰等。

工作原理

釩電池（VRB）是一種可以流動的電池，目前正在逐步進入商用化階段。VRB作為一種化學(xué)的能源存儲技術(shù)，和傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池相比，它在設(shè)計上有許多獨特之處，性能上也適用于多種工業(yè)場合，比如可以替代油機、備用電源等。利用VRB技術(shù)設(shè)計制造的VESS系統(tǒng)（VanadiumEnergyStorageSystem，即釩能源存儲系統(tǒng)），其設(shè)計和操作特性在VRB的基礎(chǔ)之上被優(yōu)化，而且集成了許多自動化的智能控制和用于管理操作的電子裝置。簡單地說，釩電池將存儲在電解波中的能量轉(zhuǎn)換為電能，這是通過兩個不同類型的、被一層隔膜隔開的釩離子之間交換電子來實現(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。每個電池單元由兩個“半單元”組成，中間夾著隔膜和用于收集電流的電極。兩個不同的“半單元”中盛放著不同離子形態(tài)的釩的電解液。每個電解液池配有一個泵，用于在封閉的管道中為每一個“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時，電子就流動到外部電路，這就是放電過程。當(dāng)從外部將電子輸送到電池內(nèi)部時，相反的過程就發(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，電解液在多個電池單元間流動，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，而不是電池層本身。VRB電池技術(shù)的一個最重要的特點是：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。從電力上來講，不同等級的能量可以為電池層中不同的電池單元或單元組中通過提供足夠的電解液來得到。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行。

VRB電池

VRB電池用于通信，其優(yōu)點明顯：

（1）能量循環(huán)效率高；

（2）深度放電后壽不會受影響；

（3）不會由于電解液的腐蝕而使化學(xué)特性受到影響；

（4）電解液可以無限期使用（沒有處理的問題）；

（5）循環(huán)壽是無限的（僅受隔膜的限制）；

（6）能量的存儲量可以精確地測量出來；

（7）在使用中對環(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)展直流能源存儲系統(tǒng)提供了保障。

VESS電池

VESS是把VRB集成起來的、一個實用的能源存儲系統(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、糾錯處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視和外部通信自動化。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，而以能量存儲和轉(zhuǎn)移的概念來代替。VESS在通信中應(yīng)用的一個主要特征：VESS可以對現(xiàn)有的通信動力基礎(chǔ)設(shè)施做出更有利的使用，而且可以考慮在新的無污染的通信應(yīng)用中引入能源存儲的基礎(chǔ)設(shè)施。

作為一個單一的能源存儲元件，VESS只需安裝一次就可以多種不同的電壓提供動力。相對于傳統(tǒng)的串聯(lián)型的鉛酸或鎳鎘電池，這種優(yōu)越性是顯著的。

從存儲的觀點看，這是因為：

（1）所有存儲起來的能量都在電解波中；

（2）可以輸出的動力取決于電極（層）的尺寸；

（3）系統(tǒng)能量的密度可以從物理上和系統(tǒng)存儲的能量隔離開來；

（4）存儲起來的能量很穩(wěn)定。

從系統(tǒng)運行的觀點看，這是因為：

（1）每一個單元都具有相同的帶電狀態(tài)；

（2）系統(tǒng)可以同時充電和放電；

（3）充電速度比鉛酸電池快；

（4）運行時可以有一種或多種電輸入，而且可以輸出多種電壓值；

（5）有自動功能，可以自動整流和自動保護。

從系統(tǒng)維護的觀點，這是因為：

（1）可以通過添加電解液來增加系統(tǒng)的獨立運行的時間；

（2）系統(tǒng)的能量存儲可以在任何時間增加，費用只有鉛酸電池的20％;

（3）壽長，5～10年后只需更換部分零部件；

（4）維護量很少。

和許多傳統(tǒng)的、二次電池技術(shù)相比，VRB在成本上很有競爭性，而且以前認(rèn)為采用鉛酸電池技術(shù)會很貴或不可能實現(xiàn)的一些應(yīng)用，現(xiàn)在用VESS就可以很容易實現(xiàn)。因此對于現(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的能量存儲輕便，并且存儲和使用相互獨立，所以可以用在通信應(yīng)用的特定場合。替代油機。通信動力系統(tǒng)中通常都使用柴油發(fā)電機，以便在停電時提供長時間的動力。當(dāng)油機啟動和預(yù)熱時，通常需要一個電池來提供短時間的動力。在通信站還經(jīng)常使用UPS來提供交流不間斷和直流不間斷電源，兩者都需要一個單獨的電池。一些小站口使用一個電池供應(yīng)不間斷的直流電源，不間斷交流電源則通過逆變需得到。備用系統(tǒng)的油機在動力系統(tǒng)的投資中占了很大一部分，而且需要持續(xù)不斷的機械維護以保證其可靠性。在實際應(yīng)用中，油機的利用率很低，因此其單位時間的使用成本是比較高的。而基于VESS的新系統(tǒng)則有潛力替代動力系統(tǒng)中的油機，為UPS和高可靠性的直流電源提供總的、多功能的能量存儲解決方案。替代太陽能電池。一些通信管理部門維護著巨大的、地理分布很廣的太陽能電池供電的通信網(wǎng)絡(luò)。太陽能供電系統(tǒng)的能量存儲零件通常是鉛酸電池，這需要的維護量很大。VESS有潛力替代太陽能電池，減少成本，提高生產(chǎn)率。

VESS的優(yōu)點

在典型的通信應(yīng)用中，和鉛酸電池相比，VESS有許多優(yōu)點；

（1）自動控制功能提供了自動保護、自動整流和系統(tǒng)控制界面；

（2）內(nèi)部控制單元可以控制其它的系統(tǒng)部件；

（3）能量的存儲量可以很精確地直接讀出；

（4）壽長，使用5年左右的時間后，只需更換部分零部件；

（5）能量的存儲量可以在任何時間添加，成本只有鉛酸電池的20％，約為200美元/kWh。