（一）钒电池工作原理
液流储能系统通常被称为氧化还原液流储能系统（Redox-Flow Cell or Redox-flow Cell for Energy Storage Systems，液流储能电站或液流电池），由Thaller LH（ NASA Lewis Research Center, Cleveland, United States) 在 1974 年提出了一种电化学储能原理。

如图1所示，液流储存系统由电堆、电解液、电解液储存和供应系统、系统控制系统和充放电系统组成。液流存储系统的核心是电堆，它由几十个甚至上百个用于氧化和还原反应的电池组成。实现充放电过程的单体电池根据具体要求串联或并联形成，结构与燃料电池堆类似。与电池中的活性物质通常包含在电池的正负极不同，液流电池中的正负极氧化还原活性物质分别溶解在安装在两个储液罐中的电解液中，每个都有一个泵。将溶液通过液流电池。电解液在电堆中循环，在离子交换膜两侧的多孔电极上分别发生还原和氧化反应。在反应过程中，为了在电池内部形成一个闭环，保持膜两侧溶液的电荷平衡，必须有一个离子从膜的一侧同步迁移到另一侧的溶液中。离子交换膜。由不同的活性物质组成的电化学系统有自己特定的反应过程、反应产物和迁移离子。离子交换膜两侧的多孔电极分别发生还原和氧化反应。在反应过程中，为了在电池内部形成一个闭环，保持膜两侧溶液的电荷平衡，必须有一个离子从膜的一侧同步迁移到另一侧的溶液中。离子交换膜。由不同的活性物质组成的电化学系统有自己特定的反应过程、反应产物和迁移离子。离子交换膜两侧的多孔电极分别发生还原和氧化反应。在反应过程中，为了在电池内部形成一个闭环，保持膜两侧溶液的电荷平衡，必须有一个离子从膜的一侧同步迁移到另一侧的溶液中。离子交换膜。由不同的活性物质组成的电化学系统有自己特定的反应过程、反应产物和迁移离子。必须有离子通过离子交换膜从膜的一侧同步迁移到另一侧的溶液中。由不同的活性物质组成的电化学系统有自己特定的反应过程、反应产物和迁移离子。必须有离子通过离子交换膜从膜的一侧同步迁移到另一侧的溶液中。由不同的活性物质组成的电化学系统有自己特定的反应过程、反应产物和迁移离子。

钒电池是利用溶解在一定浓度硫酸溶液中的不同价态的钒离子作为正负极的活性物质。电池的正负极被离子交换膜分隔成两个独立的腔室。通常钒电池的正极活性对为VO ²⁺ /VO ⁺，负极为V ²⁺ /V ³⁺。电极上发生的反应如下：
正极：VO ²⁺ + H ₂ O-e→VO ⁺ ₂ +2H ⁺
负极：V ³⁺ +e→V ²⁺
电池整体反应：VO ²⁺ +H ₂ O+ V ³⁺ →VO ⁺ ₂ +V ²⁺ +2H ₊

(2)钒电池的充放电特性
1)典型的充放电曲线。单节电池恒流充放电，其充放电曲线如图2所示。横轴为与容量相关的充放电时间，纵轴为电池的端口电压。从图中可以看出充放电曲线比较平坦，说明充放电特性比较好。

2）充放电电流密度对钒电池性能的影响。图3显示了钒电池的库仑效率和能量效率与充放电电流密度之间的关系。从图中我们可以看出：
随着充放电电流密度的增加，电池的库仑效率提高。这是因为钒电池在充放电过程中存在一定的自放电反应。损耗越小，电池的库仑效率就越高。
随着充电电流密度的进一步增加，电池会发生严重的副反应，导致电池的能量效率下降。这主要是因为钒电池的电压效率随着充放电电流密度的增加而增加，电池的极化增加，导致电池的电压效率下降，从而降低了电池的能量效率。电池。

3）充放电电流密度对钒电池容量的影响。钒电池的充放电容量与电流密度的关系如图4所示。从图中我们可以知道：
钒电池的充电容量随着电流密度的增加而减小，这主要是由于增加充电电流密度，缩短充电时间，减少电池自放电造成的容量损失；充电电流密度达到一定值后，充电容量的减少量越来越小。这是由于电极的副反应加剧，使电池很容易达到充电电压的上限。
放电容量随着电流密度的增加而降低，因为电化学极化随着放电电流密度的增加而增加，使放电电压更快地达到放电下限，因此电池的放电容量较低。

（3）钒电池的特点
钒电池是一种优良的储能系统，具有许多独特的优点：
1）功率和容量大，额定功率和额定容量独立：功率取决于电池组，容量取决于电解质。可以通过增加电解液的用量或提高电解液的浓度来达到提高电池容量的目的；通过增加单片电池的数量和电极面积，可以提高钒电池的功率。目前，美国商业示范运行的钒电池功率已达到6MW。

2）转换效率高：可达70%~80%。

3）在充放电过程中，电池只发生液相反应，不会发生普通电池复杂的固相变化，因此电化学极化小。

4）使用寿命长：由于钒电池的正负极活性物质分别只存在于正负极电解液中，在充放电过程中没有其他电池常见的相变，无需进行100%深度放电即可损坏电池。使用寿命长；电解液在电池不使用时密封存放在两个不同的储罐中，不存在普通电池常存在的自放电和电解液劣化问题。在日本北海道32MW风电场配套的4MW钒电池项目中，钒电池储能系统已充放电27万次以上，仍能正常运行，远高于铅酸电池的1000余次次。

5）响应速度快：钒电池堆充满电解液，可瞬间启动。运行过程中充放电状态切换仅需0.02s，响应速度1ms。

6）理论充放电时间比为1：1（实际运行为1.5~1.7），支持大电流频繁充放电。深度充放电对电池寿命影响不大。电池的正负极活性物质在充放电状态下均处于液相状态。，不存在因镍氢电池、锂离子电池等电池的电极上生长的枝晶而刺破隔膜，导致电池短路的风险。

7）自放电率低，可长期存放。

8）高安全性和可靠性：钒电池没有潜在的爆炸或火灾危险，即使正负极电解液混合也没有危险，但电解液温度略有升高。

9）成本低：电池结构简单，除离子膜外的其他材料价格便宜，更换和维护成本低。

10）电解液可循环使用，电极反应过程中不产生有害气体，对环境无污染。它是一种新型环保电池。