钒电池的电解液混合强化

郭欣悦 李翠翠 郎璇嘉

摘要：全钒液流电池以其安全性能高，循环寿命长，作用速度快等特点，近年来在固定型储能系统上得到了推广。钒电解液作为钒电池的活性物质是电池最重要组成部分之一，钒电解液性能的好坏和钒离子浓度对电池性能有直接影响。对钒电池电解液的混合方面的研究以及国内外研究现状作了综述。

关键词：钒电解液；混合強化；离子交换膜

1工作原理及特性

1.1钒电池工作原理

钒电池全称为全钒氧化还原液流电池，工作原理是外接泵把溶液从储液槽压入电池堆体内完成电化学反应之后，溶液再回到储液槽，液态的活性物质不断循环流动。全钒液流电池在充电时，将电能转化为化学能储存在不同价态的钒离子中，此时，正极VO2+氧化为VO2+，负极中的V3+还原为V2+。放电时正极VO2+氧化为VO2+，负极中V2+转化为V3+。

放电时反应方程式如下：

正极：VO2++2 H++ e=VO2++H2O

V0=0.999 V（vs.NHE）（1）

负极：V2+-e=V3+ V0=-0.255 V（vs.NHE）（2）

式中：V0为氧化还原电对相对于标准氢电极的标准电势。从上式可知钒电池正负极的标准电势差为1.26 V，这是对于正负极活性溶液浓度均为1 mol/L 而言，如果溶液混合强度提升，电势差也会增大，更具实用价值。

2电解液的混合强化

2.1混合强化方式

混合强化意为在流体中加入某原件或用外力使流体混合的更加均匀充分。

钒电池在工作时，V4+/V5+在阳极反应室中工作，但此时由于其自身的特性，V5+离子容易析出沉淀，大部分的V5+离子存在于阳极反应室的底部，导致一部分离子不能正常的工作。V2+/V3+在阴极反应室工作，同样，V2+在阴极反应室中容易浮于表面，与阴极反应室上方的氧气接触被氧化，产生自放电效果，影响电池的效率。

为了避免上述问题发生，在电池内部装带有射流孔的螺旋管，当电解液流经螺旋管时，会产生三种电解液混合方式：由于射流卷吸作用，电解液会在螺旋管射流口产生湍流混合；储液罐内的电解液在螺旋管内从上到下整体流动产生离心力，在离心力的作用下会实现整体的径向混合；在各处的射流孔位置由于电解液的喷射方向不同，又会产生整体轴向分布。在这三种混合方式的作用下，增强电解液的混合效果。

2.2混合强化的优点

①使V5+和V2+离子能够均匀地混合在溶液中，避免沉于底部或浮于上层，提高了充、放电过程中电子交换效率，从而提高发电效率。

②通过搅拌流体，使整个电解液浓度增加，与相同体积的钒电池相比，提高钒电池的电压以及功率。

③在钒电池中增加混合强化装置，使阴阳两极反应的离子接触的更加充分，加大电池容量。

3国内外研究现状

1974年Thaller首先提出氧化还原液流电池的概念，钒电池最早由澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的 Marria Syallas-Kazacos教授提出。1984年，该大学发现了5价钒离子可稳定存在于硫酸介质中，提出将V2+/V3+电对和V4+/V5+电对应用于氧化还原电池中，使钒电池的实用成为可能。1986年，全钒离子电池体系获得专利。从1985年起，日本住友电工（SEI）与日本 Kansai Electric Power Plant 合作开发钒电池，由于日本电力短缺，而且拥有多年的集团化开发大型化学液流电池储能系统的经验，所以他们现在着重研发钒电池储能系统来储存能量。钒电池从20世纪80年代中期一直局限于在日本发展，20世纪90年代才开始传入其他国家。

我国从20世纪90年代初开始液流储能电池的基础研究工作，目前已在液流储能电池技术开发和应用示范中取得重要进展。先后研制成功了500W、1000W的钒电池样机，成功开发了4价钒溶液制备、导电塑料成型及批量生产、电池组装配和调试等技术。现在我国已经掌握自主知识产权的百千瓦级全钒液流储能电池系统的设计、集成技术。

2009年7月在西藏自治区成功安装一套“太阳能光伏系统与5kW/50kW·h液流储能电池联合供电系统”进行示范应用，为西藏能源研究示范中心的照明提供电力。国内一些地方也在积极推进液流储能电池应用示范项目。

4结语

全钒液流电池适合于电网的大规模储能，但结构相对于复杂，商业化运行还有许多问题需要解决，由于钒电解液混合不充分，很大程度上充放电效率，所以在电池内安装电解液的混合强化装置，是提高钒电池使用寿命，降低成本的重要措施。

参考文献：

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