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钒电池调研报告
1. 钒电池的概念及原理
1.1. 钒电池定义
钒电池全称为全钒氧化复原液流电池〔Vanadium Redox
Battery，缩写为 VRB〕，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化复
原电池。
1.2. 钒电池的特点
a) 能量存储于电解液中，增加电解液储罐的体积或者提高电解液
的浓度均可增加电池容量。即对于一样功率输出的钒电池，可
根据需求任意调整容量。非常适合大容量储能应用；
b) 输出功率由电池堆中参与反响的面积决定，可通过增加或减少
单电池和不同电池组串连和并联调整满足不同功率需求，目前
美国商业化示运行的钒电池的功率已达 6000kW；
c) 充放电不涉及固相反响，电解液的理论使用寿命无限，可以长
期使用。铅酸蓄电池充电过程中，溶液中的铅离子转化为固态
氧化铅沉积在电极外表，放电过程中固态氧化铅电极重新溶解
进入液相，充放电过程伴随极板物质的液相/固相转化。为了
保证固态氧化铅电极晶型的稳定性，电池充放电程度需要严格
控制；电极构造的变化导致电化学性能逐渐劣化，原理上决定
了有限的充放电循环和电池寿命；
d) 反响速度快，可在瞬间启动，在运行过程中充放电状态切换只
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需要 0.02 秒，响应速度 1 毫秒；
e) 理论充放电时间比为 1：1(实际运行 1.5-1.7：1)，支持频繁大电
流充放电，深度充放电对电池寿命影响不大，充放电状态下电
池正、负极活性物质均为液相，不会出现镍氢电池、锂离子电
池等蓄电池因电极上枝状晶体的生长而将隔膜刺破导致电池
短路的危险；
f) 电池堆可与电解液相别离，存储于电解液中的能量可长期保
存，不会因自放电损耗；
g) 能量循环效率高，充放电能量转换效率达 75%以上，远高于铅
酸电池的 45%。电解液在充放电过程中不消耗，重复充放电不
影响电池容量；
h) 能量的存储量可以准确地测量出来；
i) 正负极使用同一种金属离子的电解液，防止了电解液穿插污染
问题，提高了电池的效率和寿命；
j) 电解液的流动性，可使电池组中各个单电池状态根本一致，可
靠性高；
k) 可以通过增加电解液或更换电解液的方式增加系统运行时间。
通过更换电解液，可实现瞬间再充电，类似于汽车加油；
l) 构造简单，更换和维修容易，使用费用低廉，维护工作量小；
m) 可全自动封闭运行，无噪音，无污染，维护简单，运营本钱低；
n) 可以同时对系统充电和放电，充放电方式可以根据不同的应用
需求进展调整。可以同时有一种或多种电输入，也可以输出多
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种电压。如可以用串联电池组的电压放电，而充电那么可以在
电池堆的另一局部用不同的电压进展。
o) 系统使用寿命长，充放循环寿命可超过 10000 次，远远高于固
定型铅酸电池的 1000 次。目前加拿大 VRB Power Systems 商业
化示运行时间最长的钒电池模块已正常运行超过 9 年，充放循
环寿命超过 18000 次；
p) 平安性高：钒电池无潜在的爆炸或着火危险，即使将正、负极
电解液混合也无危险，只是电解液温度略有升高；
q) 除离子膜外，材料价格廉价，来源丰富，不需要贵金属作电极
催化剂，本钱低。批量化生产后本钱甚至低于铅酸电池；
r) 电解液可长期使用，没有污染排放，对环境友好。
1.3. 钒电池的工作原理
全钒液流电池是一种新型储能和高效转化装置，将不同价态
的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自
的电解液储罐中，通过外接泵把电解液泵入电池堆体，使其在不
同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用离子交换膜作
为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极外表并发生电化学反
响，通过双电极板收集和传导电流，使储存在溶液中的化学能转
换成电能。这个可逆的反响过程使钒电池可顺利完成充电、放电
和再充电。钒电池的工作原理请见下列图。
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液流电池原理图
1.4. 钒电池性能
1.4.1. 容量
电池储能系统〔BESS〕以其最大功率〔kW〕和所存储的最大电能
〔kW?h〕作为其容量标准。对于钒电池来说，这两个指标是相对
独立的。根本上，电堆及 PCS 系统决定了系统功率，电解液浓度
及体积决定了系统所能存储的电量。 钒电池一般实际能量密度约
为 20-30Wh/l，75kW?h 容量大概需要 2500-4000L 电解液，等量放
置在正极和负极液罐中。对于给定功率级别系统来说，储能的增
加本钱主要是添加的电解液本钱，在高的 kW?h/kW 的比例下，
钒电池可以得到更好的应用，一般设计储能时间约为 4-10 小时。
1.4.2. 功率
钒电池功率由电池在给定电流密度下的所表现出的电压决定，对
任何电化学电池来讲，放电电流的增加都会导致电压下降，当反
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响物被消耗时也会导致电压下降。钒电池的开路电压一般为 1.55V
〔满电〕—1.25V〔完全放电〕 ，电压也会随电解液组成发生轻微变
化，放电时平均电压约为 1.3V-1.4V。电池的电流容量由电极的外
表积决定，面积越大，额定电流越高，在多数钒电池中实际可用
的最大电流密度约为 100mA/cm2，当电流过大时，欧姆降产生的
热量可能会对电池组件造成损害。
1.4.3. 过充过放
从电池化学角度来讲，过充会对钒电池的电解液及电池组件产生
不利影响，因为过充超过一定电压时会产生水的电解，发生析氢
和析氧现象，大多数电池都会设计为可将生成气体快速排放到大
气中，尽量降低在电池中累积的危险。与其他电池相比，钒电池
在受过充影响方面还是具有一定的优势，由于通过各电池的电解
液处于同样的 SOC 状态，单个电池的电压与电堆的的平均电压一
样，因此可以自动的维持电池平衡。大多数钒电池都会包含控制
系统，通过监测参考电池的电位，来控制整体电池不会被过充。
钒电池具有很好的过放性能。
1.4.4. 空间需求
钒电池更适合应用于对空间没有过多限制的场合，最近的很多设
计致力于更有效的利用空间，从而降低由此带来的用地及基建本
钱。
1.4.5. 维护
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钒电池的评价寿命一般超过十年，在寿命期可以进展比较少的维
护，例如间隔 6 个月进展一次可视的巡检，每年进展外部的清洗以
及对螺栓扭矩的检查，随着技术的不断成熟，可以将定期检查的
间隔加长。理论上，钒电解液不会发生老化及变质，但在早期研
究中建议在一定时间后对正负极电解液量进展重新平衡以消除通
过隔膜的水迁移带来的影响，但近期研究认为，通过补水来代替
平衡液位更为必要，因为在长期的充电过程中电解液会发生失水。
1.4.6. 寿命
电堆是决定钒电池寿命的关键部件，会随时间发生性能衰减，需
要进展更新或更换，电堆限制寿命的部件为隔膜，会发生老化或
破裂，过充那么会使电极发生老化。按照每年 1000 次循环计算，
电堆的期望寿命约为 10-15 年，泵的期望寿命也应该至少在 10-15
年，通过更换电堆，泵等其他部件，钒电池的期望运行寿命超过
20 年。
1.4.7. 效率
作为能量转换装置，在钒电池运行过程中会有一定的能量损
失，在计算电池性能时有一下几局部损失需要考虑在：
1) 变压器损失；
2) PCS 损失：该局部损失同负载以及 PCS 设计相关，大概在
92%-96%，用于高电压下 PCS 或运行在较低切换频率下的
GTO 型逆变器可能会获得更高的效率；
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3) 电池损耗：电池材料以及充放电过程中极化产生的欧姆降，
会导致电池的损耗，DC-DC 效率还同充放电倍率，温度
及使用年限相关，一般研究者认为实际 DC-DC 效率约为
70%到 85%之间；
4) 附属设施损耗：对于钒电池来讲，附属设施一般包括循环
泵及空调〔温控〕系统，根据应用场合的不同，附属设施
所占的功率比例也不一样，例如如果在极端的气候条件
下，电池需要更多的功率用于加热或冷却系统。在考虑以
上几局部损耗的情况下，钒电池的 AC-AC 循环效率一般
会认为在 60%-70%之间。
2. 钒电池的系统组件
2.1. 电解液
钒电池的两种电解液都是由钒离子在极低 pH 值的硫酸溶液
中组成的，钒电池中的酸性水平同铅酸电池根本相当，电池中的
酸度基于两个目的，一是用于提高电解液中的离子导电率，另外
是用来提供正极反响中所需的氢离子。 电解液可通过以下几种工
艺之一进展制备，通常情况下，将 V2O5 溶解在硫酸中，并在溶液
中将其复原成 VO2+和 V3+；初始溶液一般为 1-3mol 钒离子溶解在
1-2mol 硫酸中，也有开发者声称可以制得在 3mol 硫酸中 1.6mol 硫
酸氧钒的溶液，由于五氧化二钒在硫酸溶液中属于微溶，因此在
制备电解液过程中需要较为复杂且昂贵的化学及电化学处理工
艺。Cellenium 宣称其可以使用一种相对简单，廉价的方式生产钒
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电池电解液。将五氧化二钒粉体，硫酸以及水连续的注入通过一
个电解槽循环的钒电解液中。这种方法据称可以比较廉价、方便
的生产电解液，可以在线制备，节省了运输和处理本钱。 随着温
度的降低，电解液会变得粘稠导致液体流速降低，从而降低了系
统功率， 尤其是在高 SOC 和低 SOC 状态下。 在另一个极端条件下，
如果电解液在温度超过 40 度较长的时间下，将会存在五氧化二钒
在电解液中析出的风险。因此电解液推荐的运行温度区间为 0 到
40 度。 典型的电解液为 1.0-2.4mol 钒离子在 2.0-5mol 硫酸中的溶液，
酸度同铅酸电池相当， 值约为 0.1 到 0.5 之间。
pH 电解液的体积 比
能量约为 20Wh-30Wh/l。
2.2. 电极
钒电池中的电极由高比外表积的碳材料组成，这些材料可在
较宽的电压围使用，很少有析氢析氧发生，并且在酸性介质中化
学稳定性较高，本钱比较合理。碳材料的特性依赖于其加工方法
及工艺。商业化钒电池大多采用由人造丝或聚丙烯晴高温分解制
得的炭毡或石墨毡。经过处理的炭毡可增加外表的反响面积，而
热处理可以提高炭毡的结晶度和导电性。电极 被放置在 PVC 框
中，使用 PVC 主要基于其对酸的耐蚀性。钌可做为电极催化剂使
用，铌可涂覆在电极上用于防止析氢。
2.3. 离子交换膜
每片电池中都会使用离子交换膜将两个半电池隔开，交换膜
在物理上将两侧的钒离子溶液隔开，防止自放电的同时，允许特
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定离子通过形成电流回路，有几种隔膜可以在钒电池中使用，其
中最常用的为杜邦的 Nafion 膜，该膜在燃料电池及其他电化学系
统中使用；由 Asahi Glass 公司生产的 Flemion、Selemion 隔膜也被
其他开发商采用，戴勒米克〔Daramic〕的隔膜也被考虑在该技术
中使用。
2.4. 双极板
双极板被用于将各单电池分隔开，同时在电路上将相邻两节
电池连通，极板必须具有高导电性以及在强酸性介质中的稳定性，
同时能够同电极材料之间以较低的接触电阻进展连接。大多数制
造商使用特有的碳塑电极用作双极板。
2.5. 电力转换系统〔PCS〕
电力转换系统也称逆变系统，绝大多数钒电池系统采用外购
方式从专业生产厂商处选取 PCS，例如：Satcon Technology 为
PacifiCorp 在 Castle Valley 的工程提供了逆变系统。 在钒电池系统
中，大多数工程使用了低压的基于 IGBT 的逆变系统，该系统相比
照较简单，性能较好，且能够到达 95%以上的效率；在大系统高
压条件下，使用基于 GTO 的逆变系统那么可能会到达更高效率。
2.6. 储液罐
钒电解液被存储在电堆之外的独立液罐中，储罐材料必须在
低 pH 值的环境下具有较好的耐蚀性。液罐最好包含二次承接容器
以防止液体泄漏。液罐一般采用现有的工程塑料或用于储存汽油
的玻纤容器来存储电解液。电解液罐可由 PVC 或其他耐酸腐蚀材
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料涂覆玻纤组成，在 Castle Valley 工程中使用了标准的，现成的可
用于存储工业介质的玻纤罐体，如下列图所示：
图 Castle Valley 工程中所使用的电解液罐
一般会使用双层罐壁的电解液储罐来将泄漏的风险降到最
低，并在罐体上安装传感器来检测泄漏。
也有一些安装的钒电池系统，使用一组垂直的液罐来代替一
个大罐，如下列图所示，为 Tomamae 风场所使用的储罐，这种方
式的优点在于可以模块化，便于生产或设计标准化的储能系统，
可在安装区域留出空间，通过增加液罐数量来增加系统容量。
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图 Tomamae 风场工程中使用的储液罐
2.7. 电堆
大多数制造商采用螺栓压力紧固 PVC 边框的方式组装电堆，
电堆可进展水平组装，电流沿电堆的中心轴向流动，电解液那么
在循环泵的驱动下由电堆底部向上流动，并联流入电堆部，经电
堆顶部出口流回电解液罐。下列图为住友电工〔SEI〕提供给 VRB
Power 用于 Castle Valley 工程的电堆，电堆根本为立方体，三维尺
寸约为：1.3m〔长〕1m〔宽〕1.1m〔高〕 。电堆部液路为并联设
计，每个电堆设计为 100 个单电池串联，额定电压为 140V，额定
功率为 42kW，峰值功率可达 150kW。
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3. 钒电池的应用领域
VRB 全钒液流储能电池系统能够经济地存储并按照需求提
供大规模电力，主要模式是固定方式。它是一种长寿命、低本钱、
少维护、高效率的技术，支持电力与储能容量的无级扩展。VRB
全钒液流储能电池系统通过存储电能实现供需的最优匹配，对于
可再生能源供给商、电网企业和终端用户尤为有效。
VRB 全钒液流储能电池系统能够应用于电力供给价值链的各
个环节，可将诸如风能、太阳能等间歇性可再生能源电力转化为
稳定的电力输出；偏远地区电力供给的最优化解决方式；电网固
定投资的递延，以及削峰填谷的应用。VRB 全钒液流储能电池系
统也能够作为变电站及通信基站提供备用电源得到应用。VRB 全
钒液流储能电池系统对于环境友好，在所有的储能技术中对于生
态影响程度最低，同时不以铅或镉等元素为主要反响物。
钒电池具有功率大、容量大、效率高、本钱低、寿命长、绿
色环保等一系列独特优点，适合于大规模电能储存，在风力发电、
光伏发电、电网调峰、分布电站、军用蓄电、交通市政、通讯基
站、UPS 电源等广阔领域有着极其良好的应用前景。
由于全钒液流电池可以保持连续稳定、平安可靠的电力输出，
用于风能、太阳能等可再生能源发电系统，解决其发电不连续、
不稳定特性；用于电力系统，可调节用户端负载平衡，保证智能
电网稳定运行；用于电动汽车充电站，可防止电动车大电流充电
对电网造成冲击；用于高耗能企业，谷电峰用，可降低生产本钱。
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此外，它还可应用于电信的通讯基站、国家重要部门的备用电站
等。
3.1. 风力发电
风能发电自身所固有的随机性、间歇性特征，决定了其规模
化开展必然会对电网调峰和系统平安运行带来显著影响，必须要
有先进的储能技术作支撑。
研究说明，如果风电装机占装机总量的比例在 10％以，依靠
传统电网技术以及增加水电、燃气机组等手段根本可以保证电网
平安；但如果所占比例到达 20％甚至更高，电网的调峰能力和平
安运行将面临巨大挑战。目前为了减少对电网的冲击，每一台风
机需要配备其功率 4%的后备蓄电池。另外还需要大约相当于其功
率 1%的蓄电池用于紧急情况时风机保护收风叶用。
电网对风电输出平稳性的要求已成为风电开展的瓶颈。随着
风电的快速开展，风电与电网的矛盾越来越突出。如果需要平滑
风电 90％以上的电力输出，需要为风电场配置 20％左右额定功率
的储能电池；如果希望风电场还能具有削峰填谷的功能，将需要
配备相当于 40-50%功率的动态储能电池；如果风机离网发电，那
么需要更大比例的动态储能电池。
风机现在使用的铅酸电池容量小、寿命短、稳定性差、维护
费时费力、污染大，钒电池所具备的优点，完全可以取代现有的
铅酸电池，成为风电场动态储能系统的主体。
中国风电资源经初步探明 10 米高空约 10 亿 kW，其中陆上风
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电资源 2.35 亿 kW，沿海风电资源 7.5 亿 kW；扩展到 50 米高空，
是 20 亿～25 亿 kW。
根据国家中长期能源规划， 风电装机目标为 2021 年 400 万 kW，
2021 年 2000 万 kW。但实际上 2021 年底中国风电场累计装机 1215
万 kW，当年风电新增容量 625 万 kW；中国风能协会预计，2021
年全国新增风电装机为 800 万 kW，2021 年底累计装机容量就将超
过 2021 年的规划目标 2000 万 kW。预计 2021 年中国风电装时机突
破 1 亿 kW，将占到全国发电量的 10%左右。
风电产业的快速开展，特别是我国的多数风电场属于"大规
模集中开发、远距离输送〞，对电网的运行和控制提出了严峻挑
战。大容量储能产品成为解决电网与风电之间矛盾的关键因素。
即使按照风电调控最低要求计算，5%的风电储能比例，2021 年储
能电池的需求就将到达 100 万 kW，2021 年储能电池的需求将到达
500 万 kW；如果需要平滑 90％以上的风电输出，储能电池的需求
还要增加 3 倍以上。
3.2. 光伏发电
2021 年全球太阳能安装总量已累计达 1500kW，当年新装容量
到达了 550 万 kW 以上，其中 80%以上位于欧洲。2021 年全球新安
装的光伏发电系统将到达 400 万 kW 左右，大多数都在德国。德国
将安装 150 万 kW，意大利为 58 万 kW，还有 30-40 万 kW 将来自
西班牙、加州和日本。2021 年中国太阳能电池产量到达约 260 万
kW，占世界产量的 32.9%，但当年中国的光伏电池安装量只有 4
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万 kW，预计中国 2021 年太阳能发电装机容量方案到达 2000 万
kW。
光伏发电依赖于太，目前大型光伏发电场主要采用的是并网
发电，对电网的调峰能力有比较高的要求，目前我国电力系统煤
电比例较高，核电和热电机组不能参与调峰，水电、燃气发电具
有比较好的调峰性能，但所占比例不高，如果光伏发电占的比例
大了，会给电网调控造成非常大的困难。
光伏发电系统中储能电池的作用是贮存太阳能电池方阵受光
照时发出的电能并可随时向负载供电。光伏发电对储能电池的根
本要：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率
高；e.少维护或免维护；f.工作温度围宽；g.价格低廉。
目前与光伏发电相配套的储能主要是铅酸电池，由于功率、
容量、寿命都不能满足光伏发电配套需求，钒电池将作为未来光
伏发电储能电池的首选。
3.3. 电网调峰
电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。由于抽水蓄能电
站需建上、下两个水库，受地理条件限制较大，在平原地区不容
易建立，而且占地面积大，维护本钱高。
为应对城市尖峰负荷，电力系统每年都要新增大量投资用于
电网和电源后备容量建立， 利用率却非常低。
但 以为例， —2006 2004
年间，为解决全市每年只有 183.25 小时的尖峰负荷，仅对电网侧
的投资每年就超过 200 亿元， 而为此形成的输配电能力的年平均利
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用率不到 2％。
采用钒电池取代抽水蓄能电站，大容量储能电池应对城市尖
峰负荷，不受地理条件限制，选址自由，占地少，维护本钱低。
还可提高能源利用效率，为国家节约巨额投资，其节地、节能、
减排的效果是其他调峰措施无法比较的。
3.4. 通讯基站
通信基站和通信机房需要蓄电池作为后备电源，且时间通常
不能少于 10 小时。对通讯运营商来讲，平安稳定可靠性和使用寿
命是最重要的，在这一领域，钒电池有着铅酸电池无法比较的先
天优势。
钒电池和铅酸电池相比，在网络通信应用中优势明显：寿命
长，维护简单，能量存储稳定、控制准确、自放电少，可便捷调
整能量的存储量，总体使用本钱低。
钒电池在通信应用中能量存储本钱低的优势明显。通信网络
中的基站动力系统常使用柴油发电机，在停电时提供长时间动力。
柴油机在备用动力系统投资中占了很大一局部，而且需要持续不
断的机械维护以保证其可靠性；在实际应用中，柴油机的利用率
很低，因此其单位时间的使用本钱比较高；系统中经常使用的铅
酸电池由于自放电的原因，也需要经常维护。
钒电池完全可以替代动力系统中的铅酸电池和柴油机的动力
组合，提供高可靠性的直流电源的能量存储解决方案。钒电池还
可以很好地与网络通信领域使用的地理分布很广、数量众多的太
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阳能电池进展很好的匹配，替代目前太阳能供电系统常使用的铅
酸电池，降低维护量，减少本钱，提高生产率。
3.5. UPS 电源
中国经济的持续高速开展带来的 UPS 用户需求分散化，使得
更多的行业和更多的企业对 UPS 产生了持续的需求。钒电池相对
于铅酸电池，在功率、平安稳定性、使用寿命上都有着绝对优势。
钒电池作为一个单一的能源存储元件可以针对不同需求同时
提供多种不同的电压，相对于传统串联型铅酸或镍镉电池，这种
优越性是显著的。
3.6. 分布式电站
大型电网自身的缺陷，难以保障电力供给的质量、效率、平
安可靠性要求，对于重要单位和企业，往往需要双电源甚至多电
源作为备份和保障。分布式电站可以减少或防止由于电网故障或
各种以外时间造成的断电。医院、指挥控制中心、数据处理和通
讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料
工业、精细制造工业等领域是分布式电站开展的重点领域，钒电
池可以在分布式电站的开展中发挥重要作用。
3.7. 军用蓄电
钒电池还可以在军事基地、指挥中心等军事部门的军用蓄电
发挥重要作用。
4. 国外应用案例
4.1. 美国犹他州 Castle Valley 工程
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4.1.1. 工程概况
Castle Valley 工程由 PacifiCorp 负责，PacifiCorp 为一个电力运
营商，主要效劳在西部六个州。犹他州的 Castle Valley 位于其效劳
区域，相对较为偏远的一个区域。由于该区域使用的 25KV 电缆总
长度为 209 英里，影响了其电力质量及可靠性，经常会接到投诉，
另外，新增的大量负载影响了现有用户的电压稳定性。如果在该
区域使用传统的解决方法来增加容量或改善效劳质量，那么会使
本钱大量增加，主要原因是地区比较偏远，因此 PacifiCorp 考虑使
用其他方法来实现。PacifiCorp 选择使用钒电池来解决该问题。规
格为 250kW8h，电池系统于 2003 年交付，并于 2004 年开场运行，
经过 2004 年的夏季用电顶峰时期运行，成功验证了其调峰功能以
及调压功能。2004 年 9 月，对 PCS 系统进展了一次升级，增大其
功率级别，2005 年 1 月，对电堆进展了更换，以获得更高的功率
及更好的效率。
Castle Valley 工程设计示意图
上图为 Castle Valley 工程的设计示意图，系统占地约为 3800
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平方英尺〔353m2〕 ，设施包括空调系统〔HVAC〕以保证 5-40℃的
优化运行温度围。
该工程运行期间曾对电堆及逆变器进展了更换，电堆进展更
换的主要原因是为了获得更高的电堆效率并降低泄漏风险，在进
展电堆更换后，系统的 DC-DC 效率为 78%，有所改善；而对逆变
器的更换主要是由于其输出功率达不到设计要求， 将原有的 250kW
逆变器更换为 350kW 逆变器。
4.1.2. 系统效率分析
该工程为钒电池相对早期的示工程，不能认为钒电池技术的
典型代表，但从其结果可以看出环境条件以及系统设计会怎样影
响系统效率， 同时， 可以通过什么手段对效率进展提高。 Castle Valley
工程的钒电池是在每天确定的时间段进展充电和放电，在秋冬季
节的用电顶峰期，电池的使用方案会受到负载情况影响。
Castle Valley 工程中钒电池在第一年实际运行的 AC-AC 效率，
效率大概在 34%-55%之间，总体平均效率约为 45%。其中，11 月
份较低的能量效率是由于电池充电完成后没有马上进展放电，自
放电导致容量有一定损失。
VRB Power 为提高系统效率，对效率损耗进展了深入的分
析，分析说明，损失主要来源于三个方面：系统自身负载，电池
充放电损耗以及 PCS 损耗，系统负载在运行损耗中占据了很大比
例，主要包含冬天供热，夏天制冷以及泵损耗等。主要原因是该
工程位于犹他沙漠，气候相比照较极端，冬天需要供热，夏天需
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要制冷，工程建立并没有考虑环境影响，顶部为开放式，因此夏
天外部环境温度到达 55 度时，即使电池没有运行，也需要很大的
制冷量对电解液进展了冷却。但 VRB Power 相信通过合理的建筑
设计以及绝热设计，可以降低这一局部损耗，这方面的改良已经
在 King Island 工程以及道工程中得到了印证。
电池的效率在一年约为 63%-77%之间，在年末时 VRB Power
将电解液钒离子的浓度由 1.6M 提高至 1.7M 来改善系统效率， VRB
Power 希望通过这一措施来将 AC-AC 效率提高 3-4 个百分点， 另外，
通过调节负载以及增加电堆来降低电流密度可以将电池能量效率
提高 11%左右，VRB 希望通过一系列措施包括降低 PCS 损耗等，
使系统的 AC-AC 效率在未来可超过 70%。
4.2. 澳大利亚 King Island 工程
King Island 是位于塔斯马尼亚的一个小岛，共 1500 人，无大
型工业设施，白天总用电需求约为 3-3.5MW，晚上约为 1MW。 传
统电能由柴油发电机提供，但较高的运油本钱促使当地政府考虑
其他代替措施包括风力发电等。2003 年，澳大利亚政府配备了两
台 850kW 的 Vestas 风机以及 200KW 的钒电池系统 Pinnacle VRB〕
〔 。
钒电池系统由 6 台 SEI 生产的电堆组成，要求可在 200kW 额定功
率下稳定运行 4 小时，400kW 输出功率时可支撑超过 10s。
工程在运行期间曾发生堆损坏现象，其中包括电堆的端电极
所在的双极板泄漏，#03-001 电堆的 C 子堆中出现裂纹导致的泄漏
以及#03-009 电堆的 B 子堆的隔膜可能被损坏。住友电工与 VRB
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Power 等相关人员就此进展了会谈和讨论。
1) 端电极所在的双极板泄漏应该是粘接处的开裂导致的，开
裂的可能原因主要那么是不同材料之间热膨胀 系统相差较大以
及粘接处的应力集中等。
2) 在#03-001 号 C 子堆中边框的裂纹，认为可能的原因包括边
框生产质量以及电堆在运输过程中受到不当处理而导致损坏等。
3) 测试的结果说明#003-009 的库伦效率较低，为 92.5%，经过
自放电测试发现应该是 B 子堆存在问题，可能是部隔膜遭到了破
坏，住友电工对此子堆进展了更换。
5. 效益分析
世界面临着一方面是能源的短缺、一方面又是能源不能被充
分利用而白白浪费的状况。随着大型储能设备钒电池储能系统的
问世，这一状况有可能得到最好的解决。中国地大物博，电站、
太阳能、风能对大型化学电源储能系统的需求都蕴涵着巨大的商
机。目前，我国太阳能、风能发电装置及应急电源都主要采用铅
酸电池，铅酸电池的回收在我国还没有形成规模，大量的废旧电
池对环境造成的污染已经引起了政府的关注。因此，开展新型的
无污染可回收的钒电池用于以上场合，将是很好的选择。同时，
我国电站目前还没有采用贮能系统，大量的电力资源白白地浪费。
如果利用钒电池建成电站贮能系统，不仅可以节约能源，减少国
家建立电站的巨额投资，同时为保护环境，提高电站效益发挥重
要作用。而我国丰富的钒资源更为钒电池的开展奠定了有利条件。
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我国钒资源储量居世界第三位，许多大型钒矿企业，如攀钢集团、
钒矿等单位都在积极寻求资源的转化，钒电池已经成为他们新的
开展方向。钒电池的技术实用化将给我国过剩的钒资源找到新的
出路，同时也将给我们带来巨大的经济效益。
6. 风险分析
6.1. 核心专利限制
在全球钒电池领域，核心专利大多掌握在日本、澳大利亚及
其它西方兴旺国家手中，虽然 SEI 等一些大公司的专利申请在我
国没有获得审批，但假设我国钒电池技术真正开展起来以后，要
想开拓国际市场，将产品卖到美国、澳大利亚、欧洲等国家和地
区去，专利权限制是一个绕不开的话题。
6.2. 技术限制
钒电池作为一类重要的储能电池即将进入实用化阶段，但目
前尚有许多需要解决的技术关键问题。如电解液离子浓度和稳定
性问题，钒电池正极液中的五价钒在静置或温度高于 40℃的情况
下易析出五氧化二钒沉淀，析出的沉淀堵塞流道，包覆碳毡纤维，
恶化电堆性能，直至电堆报废，而电堆在长时间运行过程中电解
液温度很容易超过 40℃。
其中材料的研究开发是决定因素，要研究出高比功率、高转
换效率和高稳定性的液流化学储电系统，必需制备出具有特殊功
能的多种材料，如电极材料、导电集流体材料、钒电池用隔膜材
料，而材料一直是我国技术研发领域中的一个弱项，钒电池要想
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在我国获得开展，在电池材料上必须有所突破。
6.3. 本钱问题
现阶段，我国开展钒电池面临的主要问题是原材料的开展速
度相对落后，局部原材料尚需进口，相应的规模化生产本钱高。
以一个 5kW 电池为例，电解液(1.0m3，1.8mol/l)17 万、控制系统 10
万、隔膜 7 万、板框 4 万、石墨板 1.5 万、泵 0.7 万、碳毡 0.4 万，
总共 40.6 万，这还只是主要材料本钱，一个 5kW 钒电池的本钱在
40 万以上，高出一样规格铅酸电池的本钱数倍。另外，由于石墨
板在使用过程中存在刻蚀现象，每隔 2 个月，就需要由专业人员进
展一次维护，频繁的维护导致本钱大幅上升。
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