釩液流電池經過二十多年的發展，已經是一種比較成熟的儲能技術了。其應用方向主要是新能源電場和電網的MWh級大規模儲能站。和主要做移動電源的鋰電池相比，他們的關系就像飯勺和鍋鏟的關系，沒有相互替代的空間。全釩液流電池的主要競爭對手，是水力蓄能、壓縮空氣蓄能等大規模儲能技術，以及其他體系的液流電池。

釩液流電池的相對鋰電池的優勢主要有三：

一、方便規?；Ｒ惶紫到y可以做到你家冰柜那么大，也可以做到你家小區變電站那么大，電量夠你家用一天到一年不等，想怎么設計就怎么設計。

二、使用壽命長。你也能用半個世紀。

三、安全性較好。面對鋰離子電池忌諱的大電流和過充過放毫無壓力，而且根本不會起火爆炸。

問題主要就一個：

能量密度低。別想著能用在你的手機上了，電動車也沒啥指望。

釩液流電池經過二十多年的發展，已經是一種比較成熟的儲能技術了。其應用方向主要是新能源電場和電網的MWh級大規模儲能站。和主要做移動電源的鋰電池相比，他們的關系就像飯勺和鍋鏟的關系，沒有相互替代的空間。全釩液流電池的主要競爭對手，是水力蓄能、壓縮空氣蓄能等大規模儲能技術，以及其他體系的液流電池。

一、市場

大山里有個村叫李村，山高路遠不通電。前些年搞村村通，配了臺發電機，然而柴油依然十分金貴。太陽落山之后，昏黃的燈光便成了奢侈品。

年關將至，伴著凜冽的北風，在縣城干電工的李狗嗨騎著三輪出現在蜿蜒的山路上，車后斗拉了幾大塊亮晶晶的黑板子。

“唉，王八蛋老板黃鶴搞太陽能，欠下了3.5個億，帶著他的小姨子跑了。我們沒有辦法，拿著光伏板抵工資。聽說這玩意曬曬太陽就來電，不燒油不加水。我拖回兩塊來，娃兒們晚上都有書念，翠花也做得了針線了?！?/p>

李狗嗨的光伏板架好了，然而就像達文西的手電筒一樣，晚上沒有太陽的時候

編個故事是為了說明目前新能源行業的困境。李狗嗨遇到的問題，風電場的工程師同樣在面對。

某種程度上講，我們司空見慣的電網堪稱世界上規模最大、能量最高的機器，而神奇之處在于這架機器必須保持每時每刻能量的收支平衡，坑口電廠轟鳴的汽輪機的產出，和千里之外華北平原萬家燈火的消費毫厘不差。這是一場曠日持久的走鋼絲。無疑我們有的是控制手段來保持平衡，然而總也免不了有個天災人禍，失手的例子就在不遠的03年美加大停電和08年的華南電網雪災。

新能源的并網給電力工程師帶來了更為頭疼的難題：天氣。用戶老爺們的需求已經夠難對付了，這下又來了一個看老天爺臉色的奇葩……這日子沒法過了(╯￣Д￣)╯┻━┻2012年吉林省的棄風率達到32%，也就是1/3的發電量被白白丟在了風里。除了當地消費能力有限的原因之外，控制上的難題同樣也是原因。風力和光伏短時間內的波動性非常嚴重，難以與電網同步，俗稱“垃圾電”，如果直接并網會導致整個電力系統的不穩定。

以上問題的癥結在于，我們的電網里還不存在一個儲能的機制，就像達文西的手電筒一樣沒有電池。如果我們能對電能實現高拋低吸，行話叫調峰，棄風和控制的問題就都迎刃而解了。目前只有靠調整發電機的出力來適應需求。然而發電機組通常都在額定功率下處于最高效率，頻繁的出力變化必然導致效率降低。所以對于現有的電力系統，儲能技術也有節能減排的意義。

調峰的示意圖，粉色曲線為風電場輸出，褐色曲線為用電需求。儲能系統在紅色面積下吸收能量，于綠色面積內釋放。如果沒有儲能系統，這部分電力是浪費掉的。

目前比較成熟儲能技術主要有：水力蓄能、壓縮空氣蓄能、液流電池、鉛酸電池、飛輪蓄能、超級電容等等。如圖所示，根據儲能規模的不同，每種技術都有其不同的適用范圍。

各儲能技術的功率規模和儲能時間對比，全釩液流電池可以實現幾十kW到幾十MW的功率規模，儲能時間為幾小時到幾天。

各儲能系統的能量效率，全釩液流電池(VRB)的效率約70-80%，和水力蓄能(PHS)、壓縮空氣蓄能技術(CAES)相仿，略低于鋰電池和超級電容。

各儲能技術的發展情況。目前技術最成熟成本最低的儲能技術是水力蓄能(PHS)，然而這種技術受到地理條件的限制難以廣泛應用。全釩液流電池(VRB)成熟毒中等偏下。相對于其他技術，液流電池適用范圍廣，成本也比較適中。目前最主要的應用便是風電、光伏電場的調峰。目前全世界有超過20個kWh-MWh級的液流電池商業示范項目，其中規模最大的一個是大連融科儲能的龍源風電場項目。

大連融科儲能負責的某全釩液流電池項目，白色圓柱體為儲能罐，中間一排排接管理的方塊為電堆。

當儲能系統的規模達到一定程度，可以實現對整個電網的支持。分布于電網各個環節的儲能站根據各自環節的輸入/輸出波動進行調峰，可以平滑輸電系統的負載，將過載的可能性降到最低，同時提高供電的效率和質量；在像海島、偏遠地區這樣的離網系統，甚至部分城市建筑，儲能系統和新能源的結合可以帶來就地的清潔能源解決方案，減少遠距離輸電的損耗。未來的儲能站可能和你家小區的變電站一樣司空見慣。

工業界了解不多，不敢妄加置喙。液流電池作為一種儲能技術，很大程度上依附于新能源行業的發展，可謂一榮俱榮。面對油價下跌的現狀，諸多已經上馬的光伏、風電項目面臨著成本的挑戰，而一個高性能的儲能系統可以很大的提高電場的經濟性。隨著儲能系統規模的擴大，儲能技術將作為一種新的控制手段引入電力系統，有機會極大地改變電網的面貌。今年大連理化所的張華民教授獲得國家科技進步二等獎，也能從一個側面反映出政策對這項技術的茲瓷。然而另一方面，在電力設備這個薄利行業里，液流電池畢竟不像電子設備電源、動力電池等行業擁有高附加值的產品和自由的市場，很難獨立實現盈利，其發展更多的依賴于政策。目前國內做的比較好的單位主要是大連理化所和大連融科儲能，技術積累比較深厚。最近一些釩礦企業也在做相關的項目，比較占原材料的便宜。

二、技術

自1985年M.Skyllas-Kazacos成功demo第一個prototype，全釩液流電池的發展已經有30多年。釩液流電池屬于水系液流電池，使用釩離子的硫酸溶液作為電能的儲存介質。作為過渡金屬，釩的價態十分豐(jing)富(fen)，2、3、4、5價離子在水里均有不錯的溶解度，而且顏色也十分好看。釩2價和5價離子間有1.25V的電位差，這就給了釩自己和自己組成電池的能力。

這貨的結構，也包括大部分其他液流電池大概都長這樣，OF小工的答案里也有配圖。

系統由一個電堆、兩個儲能罐以及配套的泵和管路組成。電解液平時存在儲能罐里，充放電時用泵泵入電堆中進行反應。電堆的基本結構是一個三明治，依次為正極集流體，正極碳氈，隔膜，負極碳氈，負極集流體。正負極電解液分別在碳氈的孔隙之間流過。充放電時，電解液里的釩離子在碳氈表面得失電子，而氫離子穿過離子交換膜來維持電中性。這樣的三明治可以任意疊加來提高電堆電壓。

實際應用時，儲能罐、電堆、液流泵、BMS和逆變器都可以被整合于一套集裝箱內，實現自動化運行，或站在風電場的大平原或站在村口或站在你家小區的某個犄角旮旯默默發揮作用。

釩液流電池的特性帶來了以下優勢：

1.方便規模化

對一個儲能系統來講，最重要的性能莫過于功率和電量。一般來講，釩電池可以承受的功率和電極面積成正比，也就是和電堆的大小成正比。而電量的多少和電解液體積成正比，也就是和儲能罐的大小成正比。換句話說，不論工程項目對儲能系統的性能提出怎樣的要求，攻城獅同學都能輕松加愉快的作出相應設計；哪怕遇上奇葩甲方朝令夕改，也能在原有方案上簡單增減儲能罐和電堆的數目來調整。

不要小看這一點，此等優勢鋰離子電池是非常羨慕的。鋰離子電池的儲能材料涂覆在集流體表面做成電極，其工藝和性能是出場前就由化學家設計好的，很難根據具體工程項目調整。那么，想提高功率怎么辦？增大電極面積。想提高能量怎么辦？增大電極面積。于是乎，在鋰離子電池功率和密度是直接相關的，工程上這叫耦合。攻城獅童鞋灰常討厭這種事情。

釩電池的架構更重要的優勢在于可擴展性。一個能存一度電的釩電池和一個能存一萬度電的釩電池，結構和控制方法是基本相同的，而且還因為規?；脑虺杀居兴档汀δ茈娊庖褐灰獢囈粩嚕旌暇鶆蚓湍鼙ＷC充放電深度的一致性。而如果你想做一個同樣規模的鋰電池系統，只能單純的堆電池的數量，同時需要及其復雜的電池管理系統(BMS)來管理每一節電池的溫度和充放電深度(SOC)，否則出現過充過放過熱都會導致電池報廢甚至危險。一輛特斯拉用數千塊電池組成的MWh級電池組已經很瘋狂了，全靠松下18650優秀的一致性和強大的BMS才撐起來。如果在這個基礎上再做大100倍，系統的復雜度會極大的增加成本。

2.壽命長

市場上的鋰離子電池壽命大約是1000-5000次。鋰離子電池的儲能原理主要是鋰離子在固態電極上的嵌入和脫嵌。電極材料在鋰離子的反復抽插（誤）下發生應力的變化，久而久之產生裂紋最終導致衰退。然而釩電池的充放電機理是化合價的變化，這是一個完全可逆的過程，實驗室里循環測試的次數都是以萬次為單位計的?？紤]到系統中其他部件的壽命，能用半個世紀是完全做得到的。用在你家變電站里，就省去了很大一筆維護的費用。

即使和其他液流電池技術相比，釩電池的耐久性能也是吊打全場的。液流電池電堆的正負極之間是用一層離子交換膜隔開的，避免正負極電解液混合發生交叉污染。然而現在即使是性能最好的Nafion膜也做不到密不透風，天長日久總會有一部分離子滲透到對面去。對于不對稱的液流電池來說，正極的離子在負極上無法參與電極反應，這就導致容量緩慢下降直到最終降原來的一半。然而對于釩電池來說，正負極正負極電解液成分都一樣，隨你咋滲透，反正我充充電自己就充回來了╮(╯▽╰)╭

需要長時間儲能時，電堆中的電解液可以排空以阻止正負極電解液的接觸，故釩電池的自放電率也比較低，存儲時間可在幾小時到幾天。

3.安全性

上文提到過，鋰電池組需要復雜的電池管理系統來防止過充過放和過熱，過充和大電流會導致電極材料失效報廢，電池膨脹漏液甚至析鋰短路。電池中的碳材料和碳酸酯電解液都是易燃物，如泄露容易導致起火爆炸。

然而在釩電池利用的是水溶液中釩離子可逆的化學價變化，性能不依賴于電極結構，所以即使遭受大電流的虐待也十分耐艸（誤）。同樣過充也只會導致水的電解，只要及時泄壓排出氫氣就沒有問題。至于起火……你覺得水溶液會起火么？╮(╯_╰)╭

如果說有什么安全上顧慮的話，那就是電解液的酸性。釩電池電解液含有較濃的硫酸(2-3mol/L)來提高五價釩的溶解度和水的析氧電位，同時五價釩有一定毒性。然而綜合全壽命周期來看，釩電池的環境友好性相對鉛酸電池仍有相當的優勢。

有盔甲就有軟肋。釩電池的軟肋就在于其較低的能量密度，只有15-40Wh/L，甚至不如鉛酸電池，導致設備體積重量大，很難應用于移動電源。釩鹽本身分子量較大，在水中的溶解度也有限。市場上的電解液通常用1.5-2mol/L的釩溶液，目前的世界紀錄是3mol/L。答主手頭的項目就是在試圖刷新這個數字，很慚愧，目前就做了這一點微小的工作。

經過30多年的發展，釩電池的性能已經被挖掘到接近天花板，學界也在嘗試利用其它的電化學體系。其中商業化較成熟的技術有鈉-多硫液流電池，鋅-溴半液流電池（鋅負極為金屬電極），水系液流電池的能量密度的記錄保持者為鋅-多碘液流電池(zinc-polyiodide,167Wh/L)，而有機體系能量密度的記錄保持者為鋰-硫半固態液流電池(lithium-sulfursemisolid)。其他體系就不展開講了。