钒电池技术的迅猛发展，钒电池是否能引领新能源革命？
来源：宝鄂实业
2019-04-25 13:24
点击量：次
钒电池（VRB,VanadiumRedoxFlowBattery）是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效可逆燃料电池，具有功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保等一系列独特优点，在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布电站、军用蓄电、交通市政、通讯基站、UPS电源等广阔领域有着极其良好的应用前景，在日本、加拿大、美国、澳大利亚、西欧等国家和地区已开始取代容量小、寿命短、污染大的铅酸电池。
随着钒电池技术的迅猛发展，钒电池必将为人类带来一场前所未有、意义重大深远的新能源产业革命！
钒电池优点
与其它化学电源相比，钒电池具有明显的优越性，主要优点如下：
1.功率大：通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率，目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6兆瓦。
2.容量大：通过任意增加电解液的体积，即可任意增加钒电池的电量，可达吉瓦时以上；通过提高电解液的浓度，即可成倍增加钒电池的电量。
3.效率高：由于钒电池的电极催化活性高，且正、负极活性物质分别存储在正、负极电解液储槽中，避免了正、负极活性物质的自放电消耗，钒电池的充放电能量转换效率高达75%以上，远高于铅酸电池的45%。
4.寿命长：由于钒电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中，充放电时无其它电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池，电池使用寿命长。目前加拿大VRBPowerSystems商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过9年，充放循环寿命超过18000次，远远高于固定型铅酸电池的1000次。
5.响应速度快：钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒。
6.可瞬间充电：通过更换电解液可实现钒电池瞬间充电。
7.安全性高：钒电池无潜在的爆炸或着火危险，即使将正、负极电解液混合也无危险，只是电解液温度略有升高。
8.成本低：除离子膜外，钒电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，不需要贵金属作电极催化剂，成本低。
9.钒电池选址自由度大，可全自动封闭运行，无污染，维护简单，运营成本低。
钒电池市场前景
中国和世界钒电池市场分别见表1、表2，其中风力发电和光伏发电的钒电池市场需求按总装机量（见表3～6）的25%计算，其它领域的钒电池市场需求按100%计算；钒电池产值以2万元/千瓦计算，不含电解液。
风力发电
目前风力发电机需要配备功率大约相当于其功率1%的铅酸电池用于紧急情况时风机保护收风叶用，另外每一台风机还需要配备功率大约相当于其功率4%的后备蓄电池。由于电网已成为风电发展的瓶颈，随着风电的爆炸式发展，风电与电网的矛盾将越来越突出，为了减少对电网的冲击，大幅度提高风电场电力的使用率同时赚取巨额的电网峰谷差价，风电场将需要配备功率相当于其功率10～50%的动态储能蓄电池。对于风机离网发电，则需要更大比例的动态储能蓄电池。
由于风机现在使用的铅酸电池存在容量小、寿命短、稳定性差、维护费时费力、污染大等严重缺陷，风机制造厂家一直在寻找更好的可以替代铅酸电池的产品，相信拥有众多杰出优点的钒电池完全可以取代现有的铅酸电池，进而构建风电场的动态能源储存系统，大幅度提高风电场的效率和效益，推动风电产业更好更快地发展。
光伏发电
据权威机构统计，近几年全球光伏组件的年均增长率高达30％，光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一。特别是2008年，全球光伏发电装机总量达到3吉瓦。
顾名思义，光伏发电需要太阳光，一旦到了晚上和阴雨天就发不了电，因而需要蓄电池为其储存电力，由于铅酸电池功率、容量、寿命均非常有限，相信集众多杰出优点于一身的钒电池将作为光伏发电储能电池的首选。
电网调峰
电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。近二三十年来，世界发达国家抽水蓄能电站发展越来越快。世界上抽水蓄能电站发展最快、装机容量最多的是日本，其次是美国、意大利、德国、法国、西班牙等，日本和美国抽水蓄能电站装机容量均已超过2000万千瓦。
由于抽水蓄能电站需建上、下两个水库，受地理条件限制较大，在平原地区不容易建设，而且占地面积大，维护成本高。钒电池蓄能电站不受地理条件限制，选址自由，占地少，维护成本低。可以预期，随着钒电池技术的发展，钒电池蓄能电站将逐步取代抽水蓄能电站，在电网调峰中发挥重要的作用。
交通市政
随着世界城市化进程的不断加快和汽车保有量的持续增加，汽车尾气污染已经成为城市空气污染的头号污染源。大力发展节能、环保的电动汽车替代传统燃油汽车，已成为了人们的共识。随着钒电池技术的快速发展，可以预期，拥有众多杰出优点的钒电池将在电动汽车（特别是城市公交客车）、电动机车、电动自行车、电动船舶、交通信号、风光互补路灯等广阔领域发挥重要作用。
通讯基站
通信基站和通信机房需要蓄电池作为后备电源，且时间通常不能少于10小时。对通讯运营商来讲，安全稳定可靠性和使用寿命是最重要的，在这一领域，钒电池有着铅酸电池无法比拟的先天优势。
UPS电源
赛迪顾问研究显示，2007年UPS市场出现了持续增长的态势，主要原因是中国经济的持续高速发展带来的UPS用户需求分散化，使得更多的行业和更多的企业对UPS产生了持续的需求。未来几年，UPS产品发展的方向是更高的可用性、安全性以及功能的集成化、智能化和人性化。
目前中国的UPS市场强烈需求功率大、安全、稳定可靠的蓄电池，钒电池在这一领域，相对于铅酸电池无论在功率、安全稳定性、还是使用寿命上都有着绝对优势。
分布电站
当今社会对能源与电力供应的质量、效率、环保以及安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。随着分布电站的崛起，大型中心电站将逐步走向衰落。相信钒电池将首先在医院、指挥控制中心、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业的分布电站中发挥重要作用。
军用蓄电
钒电池还可以在军事基地、指挥中心等军事部门的军用蓄电中发挥重要作用。
随着钒电池技术的迅猛发展，钒电池必将为人类带来一场前所未有、意义重大深远的新能源产业革命！
钒电池优点
与其它化学电源相比，钒电池具有明显的优越性，主要优点如下：
1.功率大：通过增加单片电池的数量和电极面积，即可增加钒电池的功率，目前美国商业化示范运行的钒电池的功率已达6兆瓦。
2.容量大：通过任意增加电解液的体积，即可任意增加钒电池的电量，可达吉瓦时以上；通过提高电解液的浓度，即可成倍增加钒电池的电量。
3.效率高：由于钒电池的电极催化活性高，且正、负极活性物质分别存储在正、负极电解液储槽中，避免了正、负极活性物质的自放电消耗，钒电池的充放电能量转换效率高达75%以上，远高于铅酸电池的45%。
4.寿命长：由于钒电池的正、负极活性物质只分别存在于正、负极电解液中，充放电时无其它电池常有的物相变化，可深度放电而不损伤电池，电池使用寿命长。目前加拿大VRBPowerSystems商业化示范运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过9年，充放循环寿命超过18000次，远远高于固定型铅酸电池的1000次。
5.响应速度快：钒电池堆里充满电解液可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02秒，响应速度1毫秒。
6.可瞬间充电：通过更换电解液可实现钒电池瞬间充电。
7.安全性高：钒电池无潜在的爆炸或着火危险，即使将正、负极电解液混合也无危险，只是电解液温度略有升高。
8.成本低：除离子膜外，钒电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，不需要贵金属作电极催化剂，成本低。
9.钒电池选址自由度大，可全自动封闭运行，无污染，维护简单，运营成本低。
钒电池市场前景
中国和世界钒电池市场分别见表1、表2，其中风力发电和光伏发电的钒电池市场需求按总装机量（见表3～6）的25%计算，其它领域的钒电池市场需求按100%计算；钒电池产值以2万元/千瓦计算，不含电解液。
风力发电
目前风力发电机需要配备功率大约相当于其功率1%的铅酸电池用于紧急情况时风机保护收风叶用，另外每一台风机还需要配备功率大约相当于其功率4%的后备蓄电池。由于电网已成为风电发展的瓶颈，随着风电的爆炸式发展，风电与电网的矛盾将越来越突出，为了减少对电网的冲击，大幅度提高风电场电力的使用率同时赚取巨额的电网峰谷差价，风电场将需要配备功率相当于其功率10～50%的动态储能蓄电池。对于风机离网发电，则需要更大比例的动态储能蓄电池。
由于风机现在使用的铅酸电池存在容量小、寿命短、稳定性差、维护费时费力、污染大等严重缺陷，风机制造厂家一直在寻找更好的可以替代铅酸电池的产品，相信拥有众多杰出优点的钒电池完全可以取代现有的铅酸电池，进而构建风电场的动态能源储存系统，大幅度提高风电场的效率和效益，推动风电产业更好更快地发展。
光伏发电
据权威机构统计，近几年全球光伏组件的年均增长率高达30％，光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一。特别是2008年，全球光伏发电装机总量达到3吉瓦。
顾名思义，光伏发电需要太阳光，一旦到了晚上和阴雨天就发不了电，因而需要蓄电池为其储存电力，由于铅酸电池功率、容量、寿命均非常有限，相信集众多杰出优点于一身的钒电池将作为光伏发电储能电池的首选。
电网调峰
电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。近二三十年来，世界发达国家抽水蓄能电站发展越来越快。世界上抽水蓄能电站发展最快、装机容量最多的是日本，其次是美国、意大利、德国、法国、西班牙等，日本和美国抽水蓄能电站装机容量均已超过2000万千瓦。
由于抽水蓄能电站需建上、下两个水库，受地理条件限制较大，在平原地区不容易建设，而且占地面积大，维护成本高。钒电池蓄能电站不受地理条件限制，选址自由，占地少，维护成本低。可以预期，随着钒电池技术的发展，钒电池蓄能电站将逐步取代抽水蓄能电站，在电网调峰中发挥重要的作用。
交通市政
随着世界城市化进程的不断加快和汽车保有量的持续增加，汽车尾气污染已经成为城市空气污染的头号污染源。大力发展节能、环保的电动汽车替代传统燃油汽车，已成为了人们的共识。随着钒电池技术的快速发展，可以预期，拥有众多杰出优点的钒电池将在电动汽车（特别是城市公交客车）、电动机车、电动自行车、电动船舶、交通信号、风光互补路灯等广阔领域发挥重要作用。
通讯基站
通信基站和通信机房需要蓄电池作为后备电源，且时间通常不能少于10小时。对通讯运营商来讲，安全稳定可靠性和使用寿命是最重要的，在这一领域，钒电池有着铅酸电池无法比拟的先天优势。
UPS电源
赛迪顾问研究显示，2007年UPS市场出现了持续增长的态势，主要原因是中国经济的持续高速发展带来的UPS用户需求分散化，使得更多的行业和更多的企业对UPS产生了持续的需求。未来几年，UPS产品发展的方向是更高的可用性、安全性以及功能的集成化、智能化和人性化。
目前中国的UPS市场强烈需求功率大、安全、稳定可靠的蓄电池，钒电池在这一领域，相对于铅酸电池无论在功率、安全稳定性、还是使用寿命上都有着绝对优势。
分布电站
当今社会对能源与电力供应的质量、效率、环保以及安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。随着分布电站的崛起，大型中心电站将逐步走向衰落。相信钒电池将首先在医院、指挥控制中心、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业的分布电站中发挥重要作用。
军用蓄电
钒电池还可以在军事基地、指挥中心等军事部门的军用蓄电中发挥重要作用。
废旧电池简介
1. 电池的组成：干电池、充电电池的组成成分：锌皮（铁皮）、碳棒、汞、硫酸化物、铜帽；蓄电池以铅的化合物为主。举例：1号废旧锌锰电池的组成，重量70克左右，其中碳棒5.2克，锌皮7.0克，锰粉25克，铜帽0.5克，其他32克。
2. 电池的种类：电池主要有一次性电池、二次电池和汽车电池。一次性电池包括纽扣电池、普通锌锰电池和碱电池，一次性电池多含汞。二次电池主要指充电电池，其中含有重金属镉。汽车废电池中含有酸和重金属铅。
3. 电池数量：DC、MP3等数码产品在以超猛的速度发展，而且都在使用着电池，电池的使用量在迅速增加，如果再不付诸行动的话，电池山的现象迟早会发生。
废电池看上去很不起眼，可是害处却很大。如果你知道电池中含有的汞、镉、铅等金属物质的危害，你也就知道废电池的厉害了。
废旧电池电池的危害
电池产品对环境的危害主要是酸、碱等电解质溶液和重金属的污染。不同类型的电池污染物也不同。
一般来说，电池中的有害物质主要有Zn、Hg、CNi、Pb等重金属；铅蓄电池中的H2S04；各种碱性电池中的KOH和锂电池中的IiPP6电解液等。Hg及其化合物，特别是有机汞化物，具有极强的生物毒性、较快的生物富集速率和较长的脑器官生物半衰期。Cd易在动植物体内富集，影响动植物的生长，具有很强的毒性。Pb对人的胸、肾脏、生殖、心血管等器官和系统产生不良影响，表现为智力下降、肾损伤、不育及高血压等。Zn，Ni的毒性相对较小，但超过一定浓度范围时，会对人体产生不良影响和危害。废旧电池中的酸、碱解质溶液会影响土壤利水系的pH值，使土壤和水系酸性化或碱性化。电池电解质构成污染的主要组份是其中的可溶重金属，特别是铅蓄电池电解液中大量的硫酸铅和镍镉电池中的氢氧化镉。电池中的重金属离子在土壤或水体中溶解并被植物的根系吸收，当牲畜以植物为食料时，体内就积累了重金属。人类食人含重金属的粮食、蔬菜和肉类、水，顺着这条食物链，重金属就会在人体里富集。由于重金属离子在人体里难以排泄，最终会损害人的神经系统及肝脏功能。
废电池的回收利用研究
2．1 废电池再生利用现状
国内使用最多的工业电池为铅蓄电池，铅占蓄电池总成本50％以上，主要采用火法、湿法冶金工艺以及固相电解还原技术。外壳为塑料，可以再生，基本实现无二次污染。
小型二次电池目前使用较多的有镍镉、镍氢和锂离子电池，镍镉电池中的镉是环保严格控制的重金属元素之一，锂离子电池中的有机电解质，镍镉、镍氢电池中的碱和制造电池的辅助材料铜等重金属，都构成对环境的污染。小型二次电池目前国内的使用总量只有几亿只，且大多数体积较小，废电池利用价值较低，加上使用分散，绝大部分作生活垃圾处理，其回收存在着成本和管理方面的问题，再生利用也存在一定的技术问题。
民用干电池是目前使用量最大、也是最分散的电池产品，国内年消费80亿只。主要有锌锰和碱性锌锰两大系列，还有少量的锌银、锂电池等品种。锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银电池一般都使用汞或汞的化合物作缓蚀剂，汞和汞的化合物是剧毒物质。废电池作为生活垃圾进行焚烧处理时，废电池中的Hg、Cd、Pb、Zn等重金属一部分在高温下排人大气，一部分成为灰渣，产生二次污染。
2．2 废旧干电池再生利用技术
a．人工分选回收利用技术
一般是将干电池分类后，进行简单的机械剖开，人工分离出锌皮、塑料盖、炭棒等，残存的Mn02、水锰石等混合物送人回砖窑煅烧，制成脱水的Mn02，此法简单易行，但占用劳动力较多，经济效益不大。
b．火法回收利用技术
一般是将干电池分类、破碎后，送入回转窑，在1100~1300摄氏度的的高温下，锌及氯化锌被氧化为氧化锌随烟气排出，用旋风除尘器回收氧化锌，残存的二氧化锰及水锰石进入残渣，再进一步回收锰等物质，此法简便易行，一般的冶炼厂勿需增加设备即可回收锌。
c．湿法回收利用技术
根据锌、二氧化锰可溶于酸的原理，将废旧干电池分类、破碎后，置于浸出槽中，加入稀硫酸(100~120g／L)进行浸出，得到硫酸锌溶液，可用电解法制得金属锌，滤渣经洗涤分离出铜帽、炭棒后，剩余物Mn02、水锰石经煅烧后制得Mn02。所用方法有焙烧一浸出法和直接浸出法。
湿法与火法相比较，具有投资少，成本低，建厂速度快，利润高、工艺灵活等优势，但不能保障有害成份完全回收。
3. 废电池回收利用过程中二次污染的防治
以上的三种回收方法皆简单易行，但各有不足，存在着二次污染的问题，通过大量实验测定，我们得到了防治二次污染的可行方法。
首先将废旧干电池分类，以机械进行剖开后，分离出铜帽、锌皮，可分别回收利用。剩余的炭包物质经磁选除铁后，按1：4的固液比用水浸制1小时，取上层清液进行蒸发、结晶，沉淀物的主要成份是Mn02、MnO(OH)、乙炔黑、碳棒等物质，加入回转窑炼到600摄氏度，产生的烟气经冷凝后可得凝缩液，定期清洗即可得纯汞。同时也防止汞蒸气污染环境。在煅烧的过程中，混合物中大量的乙炔黑与碳，将Mn02还原为MnO。其反应过程如下： 2Mn0 2 +C--->2MnO+C0 2 .把此煅烧物按固液比1：4加入浓度小于2mol／L硫酸溶液中，在温度80℃下浸制1小时，发生如下反应：MnO+H 2 S0 4 --->MnS0 4 +H 2 0 .得到硫酸锰盐溶液，同时，也将引人其他可溶性重金属硫酸盐。
所得的锌皮及铜等金属可直接重熔利用，氯化铵可以制肥料或提纯作为化工试剂，硫酸锰是动、植物生长的激素成份，可用于油漆油墨的吹干剂和一些有机合成反应的催化剂，此外也用于造纸、陶瓷、印染和电解锰的生产试剂。表1为锌锰干电池可回收物质的成份。
这种回收方法投资较少，采用的设备简单，易于在中小城市得以实现，从而免除了废旧电池的运输问题。
废电池回收之后的溶液，浓缩并与EDTA反应生成金属络合物，可以彻底消除二次污染。经测定，回收废电池后的溶液中所含重金属量符合国家环保标准。若要将这些金属进行分离，利用其稳定性不同可分级处理。表2为金属离子与EDTA络合稳定常数。
4 废旧电池回收过程中存在的问题及建议
①电池回收后无法处置，一般都采用堆放。堆放过程中电池有可能泄漏或有毒物质扩散。
②由于电池的种类繁多，假冒产品多，也给电池回收带来了困难，有的电池是含汞电池，有的是含镉电池，有的以氯化铵为电解液，而有的则以氯化锌为电解液，因此建议生产厂家用统一的标准标识电池的种类及内含的主要成份，以便回收利用。
③加强高性能环保型电池的开发，实现普通民用电池的无汞化。
④回收处理废电池，国家应从政策上给予扶持。
