全釩氧化還原液流電池
全釩氧化還原液流電池，或釩液流電池（Vanadium Redox Battery，縮寫：VRB），是一種可充電的液流電池，他採用不同氧化態的釩離子來儲存化學勢能[3]。 釩氧化還原電池利用釩以四種不同氧化態存在於溶液中的能力，並且使用該性質製造的電池僅具有一個電活性元素而不是兩個[4]。由於多種原因，包括其體積相對較大，大多數釩電池目前用於電網儲能，例如連接到發電廠或電網。
| 比能 | 10–20 Wh/kg (36–72 J/g) |
|---|---|
| 能量密度 | 15–25 Wh/L (54–65 kJ/L) |
| 充電/放電效率 | 75-80%<.[1] [2] |
| 時間耐久性 | 10–20 年 |
| 循環耐久性 | >10,000 充電周期 |
| 標稱電池電壓 | 1.15–1.55 V |
對釩液流電池的可能性被進行了各種探索，有1930年代的Pissoort[5]，有1970年代的NASA研究人員，1970年代Pellegri和Spaziante[6]，但他們都未能成功示範該技術。 在1980年代，新南威爾斯大學的Maria Skyllas-Kazacos首次成功地演示了全釩液流電池在每一半中使用硫酸溶液中的釩[7]。 她的設計中使用硫酸電解液，並於1986年被在澳大利亞的新南威爾斯大學申請了專利[2]。台灣則由工研院，核能研究所，富堡能源在2010年早期即投入釩電池的研發。
全釩氧化還原液流電池的主要優點是，它可以簡單地只需通過使用較大的儲罐，它就可以提供幾乎無限的電池容量，也可在完全放電的情況下長時間保存而沒有不良影響，如果沒有可用的電源給它充電只要更換電解質就可以再充電；此外，即使電解質不慎混合，電池也不會遭受永久性的損害。兩種電解液之間的單一電荷狀態避免了由於非液流電池中的單個電池而引起的容量降低，電解液為含水且本質安全且不易燃的[8]，而使用西北太平洋國家實驗室開發的混合酸溶液的第3代配方可在更寬的溫度範圍內運行[9]，可以實現被動冷卻[10]。
釩氧化還原技術的主要缺點是相對較差的能量-體積比率，雖然最近的研究已經在西北太平洋國家實驗室（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）增加了一倍的能量密度，並且與標準的蓄電池相比較有更多的系統複雜性,（雖然第3代配方增加了系統的一倍的能量密度[10]），含水電解質使電池沉重，因此僅用於固定式應用。
此外，這種電池中含有的釩化合物具有較強的毒性[11]。相比之下，作為磷酸鐵鋰電池的主要成分，磷酸鐵鋰則幾乎是無毒的，同時其電池本身也不具有有毒重金屬或其化合物[12]；除去鈷酸鋰和鎳酸鋰，同為三元鋰電池主要材料的錳酸鋰是無毒的[13]。
運行
編輯
釩氧化還原電池由電池組組成，其中兩種電解質通過質子交換膜分離。 兩種電解質均為釩基，正半電池中的電解質含有VO2+和VO2+離子，負電池中的電解質V3+和V2+離子。 電解質可以通過幾種方法中的任何一種來製備，包括將五氧化二釩（V2O5）電解溶解在硫酸（H2SO4）中。 該溶液在使用中保持強酸性。
在釩液流電池中，兩個半電池還被附加地連接到儲罐和泵，使得非常大量的電解液可以通過電池循環。 這種液體電解液的循環有些麻煩，並且限制了釩液流電池在移動應用中的使用，有效地將它們限制在大型的固定裝置中。
建議的改進
編輯比能和能量密度
編輯當前生產的釩氧化還原電池實現約20 Wh / kg（72kJ / kg）電解質的比能。新南威爾斯大學最近的研究表明，使用沉澱抑制劑可以將密度提高到約35 Wh / kg（126 kJ / kg），通過控制電解液溫度可以實現更高的密度。 與其他蓄電池類型相比較，這個比能是相當低的（例如，鉛酸的有30-40 Wh / kg（108-144kJ / kg）;和鋰離子的有80-200 Wh / kg（288-720kJ / kg） 公斤））。
應用
編輯釩氧化還原電池的極大容量使其非常適合用於大型電力存儲應用，例如幫助平均風能或太陽能等高度可變發電源的生產，幫助發電機應對大量需求湧現或平衡在傳輸受限區域供應/需求不足，或者發電梯度差異大的發電所使用。
最大的電網釩電池
編輯| 名字 | 投產日期 | 能量 (MWh) | 功率 (MW) | 持續時間 (小時) | 國家 |
|---|---|---|---|---|---|
| 南早來發電所（Minami Hayakita Substation）[15][16] | 2015年12月 | 60 | 15 | 4 | 日本 |
| 臥牛石風電場（遼寧省）[17][18] | 10 | 5 | 2 | 中國 | |
| 苫前町風電場（Tomamae Wind Farm）[19] | 2005 | 6 | 4 | 1:30 | 日本 |
| 張北風光儲輸示範工程[20]（Zhangbei Project）[21] | 2016 | 8 | 2 | 4 | 中國 |
| SnoPUD MESA 2 Project [22][23] | 2017年3月 | 8 | 2 | 4 | 美國 |
| Escondido Substation[24] | 2017 | 8 | 2 | 4 | 美國 |
| Pullman Washington[25] | 2015年4月 | 4 | 1 | 4 | 美國 |
一個200 MW，800 MWh（4小時）的全釩氧化還原電池正在中國建設中; 預計到2018年完成[26]。
參看
編輯
參考
編輯- ^ Vanadium Battery Group University of New South Wales. [2014-06-14]. （原始內容存檔於2012-04-26）.
- ^ 2.0 2.1 M. Skyllas-Kazacos, M. Rychcik and R. Robins, in AU Patent 575247 (1986), to Unisearch Ltd.
- ^ Laurence Knight. Vanadium: The metal that may soon be powering your neighbourhood. BBC. 14 Jun 2014 [2 Mar 2015]. （原始內容存檔於2018-05-12）.
- ^ Alotto, P.; Guarnieri, M.; Moro, F. Redox Flow Batteries for the storage of renewable energy: a review. Renewable & Sustainable Energy Reviews. 2014, 29: 325–335. doi:10.1016/j.rser.2013.08.001.
- ^ P. A. Pissoort, in FR Patent 754065 (1933)
- ^ A. Pelligri and P. M. Spaziante, in GB Patent 2030349 (1978), to Oronzio de Nori Impianti Elettrochimici S.p.A.
- ^ M. Rychcik and M. Skyllas-Kazacos, J. Power Sources, 22 (1988) 59–67
- ^ UniEnergy Technologies Products[失效連結] Accessed 21 Jan 2016.
- ^ Vanadium Redox Flow Batteries (PDF). Pacific Northwest National Laboratory. October 2012 [2015-11-09]. （原始內容存檔 (PDF)於2016-03-04）.
- ^ 10.0 10.1 Miller, Kelsey. UniEnergy Technologies Goes from Molecules to Megawatts （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Clean Tech Alliance, 7 July 2014. Accessed 21 Jan 2016.
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- ^ Why lithium iron phosphate (LiFePO4 ) batteries are suitable for industrial and commercial applications.. Ethos Power Associates. [2022-10-25]. （原始內容存檔於2022-10-25）.
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- ^ History of Vanadium Redox Battery[失效連結]
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- ^ 存档副本. [2018-04-27]. （原始內容存檔於2017-08-13）.
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- ^ SDG&E and Sumitomo unveil largest vanadium redox flow battery in the US. Energy Storage News. 17 March 2017 [12 August 2017]. （原始內容存檔於2018-06-12）.
- ^ Wesoff, Eric, St. John, Jeff. Largest Capacity Flow Battery in North America and EU is Online （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, Greentech Media, June 2015. Accessed 21 Jan 2016.
- ^ It’s Big and Long-Lived, and It Won’t Catch Fire: The Vanadium Redox-Flow Battery. IEEE Spectrum: Technology, Engineering, and Science News. [12 November 2017]. （原始內容存檔於2018-03-28） （英語）.
外部連結
編輯- （英文）新南威爾斯大學（UNSW）的全釩氧化還原液流電池（VRB）
- （英文）VRB at everything2（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
- （英文）The Need for Vanadium Redox Energy Storage in Wind Turbine Generators Net electricity generation from all forms of renewable energies in America increased by over 15% between 2005 and 2009.