摘要：我国对于钒电池的相关技术储备较充足，早在上世纪80年代就开始研制，到现在储能装机量迅速增长，以钒电池为代表的液流电池装机量也在迅速增长。它现在已经实现在智能电网、通信基站、偏远地区供电、削峰填谷等项目的应用。目前我国钒电池渗透率在1%左右，未来发展前景广阔。
一、钒电池基础介绍
全钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB），简称是钒电池，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。VRB具备充放电可逆性高、循环寿命长、能量转换效率高、正负极电解质无交叉污染和容易规模化等优点。同时显示了较大的成本优势，建设周期短，系统运行和维护费用低，特别是具有运行安全和环境友好的特点。
钒电池利用不同价态的钒离子的氧化还原反应来实现电能和化学能的转换，具有以下8个主要特点：①电池的功率和容量可以分开设计，增加容量方便；②自放电率低，长时间储存，钒电池的储能系统达到兆瓦级；③过放电能力强；④钒电池的电解液循环流动，消除了热失控和电化学极化的问题，实现大电流充放电；⑤温度对钒电池的影响相对小；⑥循环寿命长；⑦电解液循环使用，减少环境污染；⑧成本低和维护简单等。
二、钒电池工作原理
钒属于ⅤB 族元素，化学性质活跃，呈现多种价态。
VRB就是以钒离子的不同价态的溶液为电解液，使其在正负极板上发生可逆反应，得以顺利完成充电、放电和再充电过程。
正极电解液由V5+和V4+离子溶液组成，负极电解液由V3+和V2+离子溶液组成，电池充电后，正极物质为V5+离子溶液，负极为V2+离子溶液，电池放电后，正、负极分别为V4+和V3+离子溶液，电池内部通过H+导电。V5+和V4+离子在酸性溶液中分别以VO2+离子和VO2+离子形式存在。
VRB正负极板发生以下反应：
正极：VO2+ + 2H+ +e- → VO2++H2O
负极：V2+ → V3++e-
电池反应：VO2++2H++V2+ → VO2++H2O+V3+
三、钒电池关键技术
1. 电堆技术
电堆是钒电池系统的核心部分，它是电化学反应的场所和实现储能系统电能喝化学能相互转换的场所。电堆对储能系统的成本、功率、循环寿命、效率和维护等性能均有至关重要的作用。
电堆由集流体、液流框、电极和隔膜组成。将组装好的钒电堆与电解液储液罐相连，形成充放电回路，循环泵使得电解液不断地循环流动，钒电池组就能进行充放电实验。
2. 电解液技术
在氧化还原流体电池里，能量是通过称为电解液的工作流体化学变化进行储存的，流体内所包含的可溶性物质可以通过电化学氧化或还原来储存能量。
电解液决定了VRB的储电量，也是钒电池成本的重要组成部分。电解液技术的关键在于以下几个方面，如配方、制备方法、纯度以及成本等。电解液的原材料最初是由VOSO4直接溶解得到的，但是 VOSO4价格贵，电池成本高，难以大规模应用。后来选用V2O5通过化学还原法和电解法制备电解液，其可满足电解液的要求
3. 控制技术
VRB的控制系统对于钒电池长期稳定运行相当关键。包括：电解液的温度、流量，流量分配，充放电电压、电流等。相对于燃料电池的控制系统，钒电池的控制系统要求相对比较简单
4. 系统集成技术
钒电池系统各主要部件的选择和应用集成技术。包括泵的选择，管路、阀门、控制器等，要能够长期稳定支持钒电池系统运行；另一部分是如充电机、大功率系统的电流、电压控制器，与风力发电的集成控制，与太阳能发电的集成控制等。其中VRB选用的是蠕动泵，它的优点是液流不接触泵体，只在泵管内流动，不会污染液体，腐蚀泵；密封、稳定性好，可空转，防止回流；维护只用更换泵管，无阀门和密封件，可以保证支持全钒液流电池系统长期稳定的运行。
四、钒电池所用材料
钒电池所用的材料包括集流体、膜材料和电解液等。
1. 双极板
（1）石墨板：具有导电性好和大电流充放电等优点，但是缺点很明显：石墨板易刻蚀，尤其在过充的条件下，容易被电化学腐蚀；如果严重时被电化学腐蚀穿透，导致钒电池正、负极电解液串液，这将影响钒电池的使用寿命；石墨板价格贵、脆性大等。这些缺点严重影响了石墨板在钒电池中的应用。
（2）导电塑料：导电塑料具有密度小、易加工成型、成本低和适合大规模连续生产等特点，因此导电塑料集流体是未来研究发展的热点。常用的膜材料有Daramic膜、Nafion膜和Selemion AMV等。双极板，一方面起到导电的作用，也就是把相邻的正极和负极连接起来（这时候功能就像导线一样）；另一方面起到分隔正负极电解液的作用。
2. 膜材料
膜材料是亲水性的，即允许H+自由通过，又要求必须抑制正负极电解液中不同价态的钒离子的相互混合，以避免电池内部短路，同时具有良好的导电性和选择性。离子交换膜一般选用交换H+的氧离子交换膜。Nafion材料是钒电池的常用的隔膜材料，不足之处在于它的价格昂贵，其成本占整个电堆的60%~70%，因此隔膜材料的国产化合气体隔膜的改性处理是钒电池隔膜的发展方向和解决重点。
3. 电解液材料
钒电池的电解液由不同价态钒的离子溶液和支持电解质组成，其正极物质为V（Ⅴ）/V（Ⅳ）溶液，负极物质为V（Ⅲ）/V（Ⅱ）溶液。钒电池的溶液既是电极活性物质，又是电解液，要求能够长期稳定存在，同时化学活性高。
增大钒溶液的稳定性主要有两种方法：一种是提高溶液的酸度；另一种是加入添加剂，如EDTA、吡啶和明胶等。溶液浓度适当提高和寻求适当的添加剂是钒电池溶液的重要研究方向。
五、钒电池应用情况
钒电池具有特殊的电池结构，可深度大电流密度放电；充电迅速；比能量高；价格低廉；
应用领域十分广阔：如可作为大厦、机场、程控交换站备用电源；可作为太阳能等清洁发电系统的配套储能装置；为潜艇、远洋轮船提供电力以及用于电网调峰等。
钒电池成本与铅酸电池相近，它还可制备兆瓦级电池组，大功率长时间提供电能，因此钒电池在大规模储能领域具有锂离子电池、镍氢电池不可比拟的性价比优势。
钒电池生产工艺简单，价格经济，电性能优异，与制造复杂、价格昂贵的燃料电池相比，在大规模储能的应用前景方面，更具竞争实力。
六、电池性能指标比较
通过比较目前已经商用的电池性能可以发现，锂离子电池能量密度高、系统成本较低、充放电效率高、使用寿命较高等优点，使得其目前应用最广。铅炭电池能量密度低，钠硫电池工作温度太高，锌溴液流电池自放电严重，都不适合作为动力电池。全钒液流电池循环寿命长、安全性好，系统度电成本低，适合应用于大规模储能。
七、钒电池成本制约
钒电池尚未能大规模商业化受限于其自身特点。首先，钒电池能量密度低，且体积大不易搬运。其次，钒电池对环境温度要求苛刻——工作环境被限制到最高45℃，一旦高于这个温度，正极溶液中就将析出沉淀物堵塞流道，最终会影响烟囱工作，使其报废。而阻碍钒电池普及的更关键原因则是成本。目前钒液流电池成本达3-3.2元/Wh，是锂电池的2-3倍，铅酸电池的3-5倍。钒电解液成本约占总成本的41％，其中主要成本用在五氧化二钒，钒价一直高居不下。
八、钒电池发展前景
全球99%的钒矿储藏在四个国家，分别是：中国、俄、南非和澳大利亚。我国是钒第一大生产国和消费国，也是世界钒资源最多的国家，中国自己就占全球储量的46.9%。因此相比于锂电池要去四处找原料，中国发展钒电池不受资源方面的制约。
钒电池近年来在技术上接连取得突破，为商业化扫除了障碍。大连化物所、中科院通过与地方企业合作，接连攻克了电解液、系统集成等诸多关键技术难题，大连化物所通过开发可焊接多孔离子传导膜，使得电堆膜材料的使用面积下降30%、电堆的总成本下降40%。
2020年，全钒液流电池项目已相继在我国新疆、福建、辽宁等地区落地投运。如果回顾锂电的发展历史，就会发现，一旦形成规模化的应用，电堆、电解液的成本都会逐渐开始下降，而成本的下降又会进一步推动应用规模的扩张，直至达到平衡状态。而钒电池的规模化进程已经近在眼前。有机构预测，预计5年内钒电池成本将降至2元/Wh，十年内降至1.3元/Wh。