前言：
钒电池，全称为“全钒氧化还原液流电池”（VanadiumRedoxBattery，缩写为VRB），是一种以钒为活性物质呈循环流动液态的氧化还原可再生燃料电池。钒电池是一种蓄电池，利用钒离子在不同氧化态下的不同化学势能保存能量，具有充放电效率高、容量可以随着贮液罐的增加而提高、电解液可以循环使用等优点。
本文将对钒电池展开介绍，全文主要围绕相关政策背景、钒电池发展历程及现状、产业链、工作原理、优缺点、发展前景等章节展开讨论，可供近期及长期密切关注钒行业的社会各界人士参考。
一、相关政策背景：
- 2012年，国家发改委发布《钒钛资源综合利用和产业发展“十二五”规划》，提出把“钒电池开发”等作为钒钛产业结构升级的重要任务；
- 2015年，对钒电池实行税收优惠政策，免征消费税；
- 2017年1月，国家能源局正式发布《能源技术创新“十三五”规划》，全钒液流电池储能产业化技术被列入了国家“十三五”能源新技术发展规划内；
- 2019年2月，国家能源局发布《全钒液流电池储能电站安全卫士技术规则》（征求意见稿），完成了本标准的制定工作；
- 2020年，江西省工信厅制定《江西省新能源产业高质量跨越式发展行动方案（2020-2023年）》支持锂电池、钒电池等二次电池在光伏、风电等新能源发电配建储能、电网调峰调频通信基站储能等多方面推广应用，开展综合性储能技术应用示范；
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二、钒电池发展历程及现状：
1985年，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）首次提出了全钒液流电池。
1988-1991年，UNSW成功开发建造1kW级全钒液流电池堆，全钒液流电池迈向工程化化研发阶段。
1995年，中国工程物理研究院电子工程研究所首先在中国展开钒电池的研究，研制成功500W和1kW的样机，拥有电解质溶液制备等多项专利。
2002年，攀钢与中南大学合作介入钒电池研发，在国家政策推动下，我国钒电池逐步进入商业化初期。
2006年，中国科学院大连化学物理研究所研制成功10kW试验电堆，并通过国家科技部验收，中国的全钒液流电池系统取得阶段性成功。
2009年，北京普能收购VRB公司，掌握钒电池的核心专利权。
2015年12月18日，国内最大钒钛生产商攀钢参与合作研发的千瓦级钒电池产品已批量生产，兆瓦级产品处于商业化示范阶段。
2016年，国家能源局批准大连液流电池储能调峰电站国家示范项目建设，全球最大储能项目全钒液流电池储能电站规模：200MW/800MWh。
2020年，国家开发银行联合农发行和邮储银行组建大连液流电池储能调峰电站国家示范项目 （一期：100 MW/400 MWh）于2020年上半年投入运营，该项目是国家能源局批准的国内首个电网侧储能大型示范项目，也是全球最大的化学储能项。
2020年6月11日中国科学院大连化学物理研究所发布成功研发出新一代低成本、高功率全钒液流电池电堆。
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三、产业链（基本形成）：
四、钒电池工作原理：
钒电池将存储在电解液中的能量转换为电能，电解液由硫酸和钒混合而成，酸性和传统的铅酸电池一样，通过两种不同类型的、被一层隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现。由于此电化学反应是可逆的，所以VRB电池既可以充电，也可以放电，充放电时随着两种钒离子浓度的变化，电能和化学能相互转换。
VRB电池由两个电解液储液罐和一层层的电池单元组成，电解液储液罐用于盛两种不同的电解液，每个电解液储液罐各配有一个泵，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能……这个可逆反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。
利用钒离子价态变化，实现电储能和释放：
【电解液】：正极电解液由V5+（VO2+）和V4+（VO2+）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，正极为V5+离子溶液，负极为V2+离子溶液；电池放电后，正极为V4+离子溶液，负极为V3+离子溶液；电池内部通过H+导电。
【电池隔膜】：具有良好的导电性和较好选择透过性的离子交换膜，最好选用允许H+通过的阳离子交换膜。一般都以阳离子交换膜为主，也有用Nafion膜（Dupont）的（后者价格较贵）。
【电极材料】：全钒液流电池要达到大容量的储能，必须实现若干个单电池的串联或者并联，这样除了端电极外，基本所有的电极都要求制成双极化电极。作为钒电池的电极材料必须具备耐强氧化和强酸性，电阻低，导电性能好，机械强度高，电化学活性好等特点，主要分为三类：金属类，如Pb，Ti等；炭素类，如石墨、碳布、碳毡等；复合材料类，如导电聚合物、高分子复合材料等。
五、钒电池优缺点：
（一）优点：
1、设计灵活，功率和容量可独立设计，尤其适合大规模储能：电池的输出功率取决于电池堆的大小，储能容量取决于电解液储量和浓度，当输出功率一定时，要增加储能容量，只要增大电解液储存罐的容积或提高电解质浓度；
2、电池使用寿命长：可达15-20年，循环次数＞13000次。钒电池的活性物质存在于液体中，电解质离子只有钒离子一种，故充放电时无其它电池常有的物相变化；
3、充、放电性能好：可深度放电而不损坏电池；自放电低，在系统处于关闭模式时，储罐中的电解液无自放电现象；
4、能量效率高：可达75%~80%，性价比高；
5、环保性高：可全自动常温封闭运行，无污染，部件材料可循环利用，环境友好；
6、安全性高：储能介质水溶液，无潜在的爆炸或着火危险；
7、部件多为低成本：如碳材料、工程塑料，材料来源丰富，易回收，不需要贵金属作电极催化剂；
8、启动和响应速度快：如果电堆里充满电解液可在2min内启动，在运行过程中充放电状态切换只需要0.02s。
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（二）缺点：
1、能量密度低，又是液流电池，占地面积大，相同能量的钒电池体积可达锂电池的3-5倍，质量达2-3倍，仅适用于大规模静态储能系统，不适用于动力电池、电子产品等领域；
2、工作温度调控较为严格，需控制在5-45℃（温度过低电解液凝固；高于45℃易析出五氧化二钒沉淀，堵塞流道，恶化电堆性能），过高或过低均需调节；
3、石墨极板要被正极腐蚀，操作不当一次充电或可致石墨板完全腐蚀，从而电堆报废；
4、电池成本过高仍是最大挑战，受制于设备、产能以及高额的前期投入，相同规格下，钒电池成本是锂电池的2-3倍；
5、受钒价波动影响大；
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六、发展前景：
（一）部分已成型案例：
1、风力发电：风力发电机需要配备功率大约相当于其功率1%的铅酸电池用于紧急情况时风机保护风叶用，另外每一台风机还需要配备功率大约相当于其功率10%~50%的动态储能电池。对于风机离网发电，则需要更大比例的动态储能电池，拥有众多杰出优点的钒电池可以构建风电场的动态能源储存系统。
10MW/40MWh国电投驼山网源友好风电场储能站
2、光伏发电：光伏发电一旦到了晚上和阴雨天便无法发电，因而需要储能电池为其储存电力，现有的铅酸电池功率、容量和寿命均非常有限，钒电池可作为光伏发电储能电池的储能选择。
3、电网调峰：电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站，但却受地理条件限制较大，在平原地区不容易建设，而且占地面积大，维护成本高。钒电池储能电站不受地理条件限制，选址自由，占地面积小，维护成本低。可以预期，随着钒电池技术的发展，钒电池储能电站将可替代抽水蓄能电站，在电网调峰中发挥重要的作用。2004年北美地区已有相关案例实现。
100MW/400MWh全钒液流电池储能调峰电站国家示范项目
4、不间断电源和应急电源：作为UPS可用于办公大楼、剧院、医院等应急照明场所。
5、供电系统：海岛、偏远地区等地区建设常规电站或建设架设输电线路造价高昂，使用钒电池并配以太阳能、风能等发电装置，保障稳定电力供应。另外钒电池还可以作为邮电通讯、铁路发送信号、无线电传播站等供电系统。
6、军用蓄电
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（三）成本问题逐步得到改善：
目前，全钒液流电池所面临的最大挑战即为前期投入成本较高，近年来，随着研发进程的不断突破，全钒液流电池成本下降较为明显，2020年大连化物所研发出新一代高功率全钒液流电池电堆，使其总成本下降40%；2021年5月，攀钢研究院在钒电池领域取得技术突破，降低了钒电池用电极材料的成本……
类似于其他电化学储能技术发展历程（如：锂电池刚刚商业化兴起阶段成本高达7523美元/KW，随着技术的发展逐渐走向成熟，锂电池价格也随之一路走低，广泛应用），目前针对全钒液流电池如何降低成本的相关研究仍在继续，预计相关标准体系也将逐步完善，商业模式也将更具多样化。
（四）环境政策与自身优势相匹配：
作为全球第一的钒资源储备大国，我国具有得天独厚的优势，钒液流的安全、环保特性也使其更适合扩展国际市场，有效推钒电池进势必也会提升我国在全球新能源产业中的地位。
如今“双碳”背景下，大力推进绿色能源发展已是大势所趋，也在快速跟进，陕西、湖南等多地政府也在大力协持钒电池的发展，钒电池凭借其绿色清洁、储能大、生命周期长等优势也吸引了诸多关注，相关数据显示，从2021年4月开始，市场储能增量转向液流电池，国内液流电池的储能装机容量从2020年的3MW增长到2021年的150MW，随着科技的进步与成本的下降，未来全钒液流电池占比也将逐渐提高，市场预测，在2025年钒电池渗透率或将达到15%~20%，乃至未来30%-40%……预计2030年，全球预计将有500GW以上电池投入各类供电、动力系统的运营；钒液流电池或将成为储能的主要选择之一，预计占新建储能发电的70-80%。
钒电池已处于商业化应用前夕，行业预测未来5年有望成为钒电池爆发第一阶段，届时也将带动五氧化二钒的需求新增，钒资源的供需匹配势必会随之产生新的变化，生而超“钒”，未来可期！
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