釩電池的電解液混合強化

郭欣悅 李翠翠 郎璇嘉

摘要：全釩液流電池以其安全性能高，循環(huán)壽命長，作用速度快等特點，近年來在固定型儲能系統(tǒng)上得到了推廣。釩電解液作為釩電池的活性物質(zhì)是電池最重要組成部分之一，釩電解液性能的好壞和釩離子濃度對電池性能有直接影響。對釩電池電解液的混合方面的研究以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀作了綜述。

關(guān)鍵詞：釩電解液；混合強化；離子交換膜

1工作原理及特性

1.1釩電池工作原理

釩電池全稱為全釩氧化還原液流電池，工作原理是外接泵把溶液從儲液槽壓入電池堆體內(nèi)完成電化學(xué)反應(yīng)之后，溶液再回到儲液槽，液態(tài)的活性物質(zhì)不斷循環(huán)流動。全釩液流電池在充電時，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在不同價態(tài)的釩離子中，此時，正極VO2+氧化為VO2+，負極中的V3+還原為V2+。放電時正極VO2+氧化為VO2+，負極中V2+轉(zhuǎn)化為V3+。

放電時反應(yīng)方程式如下：

正極：VO2++2 H++ e=VO2++H2O

V0=0.999 V（vs.NHE）（1）

負極：V2+-e=V3+ V0=-0.255 V（vs.NHE）（2）

式中：V0為氧化還原電對相對于標準氫電極的標準電勢。從上式可知釩電池正負極的標準電勢差為1.26 V，這是對于正負極活性溶液濃度均為1 mol/L 而言，如果溶液混合強度提升，電勢差也會增大，更具實用價值。

2電解液的混合強化

2.1混合強化方式

混合強化意為在流體中加入某原件或用外力使流體混合的更加均勻充分。

釩電池在工作時，V4+/V5+在陽極反應(yīng)室中工作，但此時由于其自身的特性，V5+離子容易析出沉淀，大部分的V5+離子存在于陽極反應(yīng)室的底部，導(dǎo)致一部分離子不能正常的工作。V2+/V3+在陰極反應(yīng)室工作，同樣，V2+在陰極反應(yīng)室中容易浮于表面，與陰極反應(yīng)室上方的氧氣接觸被氧化，產(chǎn)生自放電效果，影響電池的效率。

為了避免上述問題發(fā)生，在電池內(nèi)部裝帶有射流孔的螺旋管，當(dāng)電解液流經(jīng)螺旋管時，會產(chǎn)生三種電解液混合方式：由于射流卷吸作用，電解液會在螺旋管射流口產(chǎn)生湍流混合；儲液罐內(nèi)的電解液在螺旋管內(nèi)從上到下整體流動產(chǎn)生離心力，在離心力的作用下會實現(xiàn)整體的徑向混合；在各處的射流孔位置由于電解液的噴射方向不同，又會產(chǎn)生整體軸向分布。在這三種混合方式的作用下，增強電解液的混合效果。

2.2混合強化的優(yōu)點

①使V5+和V2+離子能夠均勻地混合在溶液中，避免沉于底部或浮于上層，提高了充、放電過程中電子交換效率，從而提高發(fā)電效率。

②通過攪拌流體，使整個電解液濃度增加，與相同體積的釩電池相比，提高釩電池的電壓以及功率。

③在釩電池中增加混合強化裝置，使陰陽兩極反應(yīng)的離子接觸的更加充分，加大電池容量。

3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1974年Thaller首先提出氧化還原液流電池的概念，釩電池最早由澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW）的 Marria Syallas-Kazacos教授提出。1984年，該大學(xué)發(fā)現(xiàn)了5價釩離子可穩(wěn)定存在于硫酸介質(zhì)中，提出將V2+/V3+電對和V4+/V5+電對應(yīng)用于氧化還原電池中，使釩電池的實用成為可能。1986年，全釩離子電池體系獲得專利。從1985年起，日本住友電工（SEI）與日本 Kansai Electric Power Plant 合作開發(fā)釩電池，由于日本電力短缺，而且擁有多年的集團化開發(fā)大型化學(xué)液流電池儲能系統(tǒng)的經(jīng)驗，所以他們現(xiàn)在著重研發(fā)釩電池儲能系統(tǒng)來儲存能量。釩電池從20世紀80年代中期一直局限于在日本發(fā)展，20世紀90年代才開始傳入其他國家。

我國從20世紀90年代初開始液流儲能電池的基礎(chǔ)研究工作，目前已在液流儲能電池技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用示范中取得重要進展。先后研制成功了500W、1000W的釩電池樣機，成功開發(fā)了4價釩溶液制備、導(dǎo)電塑料成型及批量生產(chǎn)、電池組裝配和調(diào)試等技術(shù)?，F(xiàn)在我國已經(jīng)掌握自主知識產(chǎn)權(quán)的百千瓦級全釩液流儲能電池系統(tǒng)的設(shè)計、集成技術(shù)。

2009年7月在西藏自治區(qū)成功安裝一套“太陽能光伏系統(tǒng)與5kW/50kW·h液流儲能電池聯(lián)合供電系統(tǒng)”進行示范應(yīng)用，為西藏能源研究示范中心的照明提供電力。國內(nèi)一些地方也在積極推進液流儲能電池應(yīng)用示范項目。

4結(jié)語

全釩液流電池適合于電網(wǎng)的大規(guī)模儲能，但結(jié)構(gòu)相對于復(fù)雜，商業(yè)化運行還有許多問題需要解決，由于釩電解液混合不充分，很大程度上充放電效率，所以在電池內(nèi)安裝電解液的混合強化裝置，是提高釩電池使用壽命，降低成本的重要措施。

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