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钠硫电池及液流电池行业分析
第一章、工作原理与技术特征
1.1钠硫电池
钠硫电池结构如图（1）所示。电池以金属钠(Na)和单质硫(S)与碳(C)的复合物分别用作阳极和阴极的活性物质，Beta—氧化铝（Beta-Al2O3）陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。
钠硫电池的化学反应式如下：
2Na+xS=Na2Sx (1)
新装配的钠硫电池一般处于完全荷电的初始状态。钠硫电池在300℃工作温度下，在放电的初始阶段（硫含量为100％～78％），正极由液态硫与液态的Na2S3.2形成非共溶液相，电池的电动势约为2.076 V；当放电至Na2S3出现时，电池的电动势降至1.78 V；当放电至Na2S2.7出现时，对应的电动势降至1.74 V，直至液相消失。
图（1）：钠硫电池结构图
钠硫电池主要有以下几个特点。
1）理论能量密度高达760W·h/kg。实际比能量高，可有效减低储能系统的体积和重量，适合于大容量、大功率设备的应用。
2）能量转化效率高，其中直流端大于90％，交流端大于75％。 3）无电化学副反应，无自放电，使用寿命长，可达15 a以上。
4）钠硫电池的运行温度被恒定在300～350℃，因此其使用条件不受外界环境温度的限制，且系统的温度稳定性好。
5）具有高的功率特性，经大电流及深度放电而不损坏电池；具有纳秒级的瞬时速度(系统数毫秒以内)，适合应用于各类备用和应急电站。
6）原材料资源丰富，价格低，无污染，适合规模化推广应用。 1.2液流电池
全钒液流电池(Vanadiunm Redox Battery，VRB)由电解质溶液，碳素材料电极，导电塑料双极板和离子交换膜等部件构成．通过流体输送设备使电解液在电堆与储槽之间循环流动，在充电/放电过程中完成不同价态的钒离子相互转化与电能的储存与释放．钒电池工作原理如图（2）所示，将一定数量单电池串联成电池组后，输出额定功率的电流和电压。 电池反应为：
正极：VO2+2H+e—VO2+H2O 电势=1.00V 负极：V+e—V
+
2+
+3+
2+
+
+
-
电势=-0.26V
电池总反应VO2+V+2H—VO2+V+H20 电势=1.26V
+3+
图（2）全钒液流电池(VRB)原理示意图
全钒液流电池具有以下特点：
规模大：全钒液流电池的输出功率和储能容量彼此独立。通过改变储槽中电解液数量，能够满足太规模蓄电储能需求；通过调整电池堆中单电池的串连数量和电极面积，能够满足额定放电功率要求。
寿命长：电池正负极反应均在液相中完成，充电／放电过程仅仅改变溶液中钒离子状态．没有外界离子参与电化学反应。电极只起转移电子作用．本身不参与电化学反应，理论上可以进行无限次任意程度的充放电循环，极大延长电池的使用寿命。
成本低：在电池关键材料制备方面，如质子交换膜、导电双极板等电池关键材料．通过实现国产化进行大规模、低成本生产。全钒液流电池避免使用贵金属催化剂，成本远远低于燃料电池等化学电源，适合于几十千瓦～数兆瓦规模场合使用。
效率高：由于正负半电池电解液中的活性物质分别储存在不同的储槽中，完全避免电解波保存过程的自放电消耗，经过优化的电池系统充放电能量效率高达80％。
能量密度较高，理论上每度电需要5.2kg的五氧化二钒进行电能储存，对于50MW的风电场建立IOMW×4h的储能系统，将需要224吨五氧化二钒，电解液部分需要2500万元投入，将占用储能系统一次性成本的30％左右。
第二章、技术环境
2.1钠硫电池技术发展现状 国外钠硫电池技术发展
对钠硫电池早期的研究主要以电动汽车的应用为目标，但随着一些新型二次电池的出现，因钠硫电池在车用电源方面的应用优势不明显而逐步被放弃。由于钠硫电池高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、温度稳定性以及无自放电等方面的突出优势，钠硫电池在电力储能方面的应用开始为人们所重视。
日本在1992年进行了第一个示范储能电站，2002年实现了商业化，至今已有200座以上功率大于500 kW、总容最逾300 MW的储能电站在运行中，分别用于电网峰谷差平衡、电能质量改善、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出等，最大功率的电站达到34 MW，用于风力发电站的稳定输出，运行中的储能电站～半以上用于电力的平衡。．储能电站覆盖了商业、工业、电力、水处理等各个行业。钠硫电池储能系统的效率可达到80％以上，寿命可达15 a。
国内钠硫电池技术的发展
我国对电动汽车应用的钠硫电池研究与国际几乎同步，1968年上海硅酸盐研究所已经开始了相关的研究，并在1977年4月成功组装并示范运行了国内第一辆6 kw功率的钠硫电池电动车。20世纪末，我国的车用钠硫电池研究也与国际同样陷入困境，研究工作几乎停
止，国内也仅有上海硅酸盐研究所仍保留了研究队伍，并开展相关的工作，打下了较好的技术基础。
2006年8月，上海市电力公司与上海硅酸盐研究所合作，联合投资开发储能钠硫电池。2007年1月制备成功650A·h的单体钠硫电池，并在2009年3月建成了我国第一条产能达2 MW的储能钠硫电池中试生产线，可以小批量化制备容量为650 A·h的单体电池。中试生产线涉及各种工艺和检测设备100余台套，其中有近2／3为自主研发，拥有多项自主知识产权。
2.2液流电池技术发展现状 国外钒液流电池行业现状
UNSW公司自1985年申请了钒液流电池专利以来，一直致力于钒液流电池的研究。该公司的主要贡献在于发现通过氧化钒(IV)溶液可使高浓度的钒(V)溶液稳定存在于硫酸介质中，从而使全钒液流电池具有实用价值。同时该公司所开发的从钒氧化物中制备钒电池溶液的工艺成本低、性能好，也是钒电池能够得到推广的重要原因。1993年UNSW与泰国石膏制品公司合作，将钒电池应用于太阳能屋。
2001年，加拿大Vanteck公司收购了Pinnacle公司59％的股份，从而拥有了钒电池技术的核心专利权。2002年，Vanteck公司改名为钒电池储能系统技术开发公司(VRB Power Systems)，专门从事钒电池技术的开发和转让，该公司现已被北京普能科技技术有限公司收购，并完成了多套钒电池系统商业化项目。
日本因受其资源限制，自20世纪80年代以来，一直从事钒电池的研究，现已组建多套钒电池商用系统，并掌握了钒电池的核心技术。其中SEI公司具备完整的生产和组装钒电池系统的全套技术，其组建的钒电池系统已投入商业运营，其技术成熟度高居世界首位。目前，SEI公司的25kW实验室钒电池电堆已达16 000次循环，历经8a使用正常。除电池隔膜的寿命有限，其他组件都可以循环使用。这一特性较其他寿命有限的化学电池来说，具有很大的成本优势。
国内钒电池研究进展
在钒液流电池领域，我国已掌握大规模储能的关键技术，拥有自主知识产权。 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VRB的研究，研制成功500 W和l kW的样机，拥有电解质溶液制备等多项专利。2006年，中国科学院大连化学物