1.研究背景

能源是人类生存和发展的物质基础，能源的开发和利用推进了人类社会的发展。随着人们生活水平稳步提高，风能、太阳能等可再生能源利用领域扩大，为了持续稳定利用此类可再生能源，必须大力开发大规模储能装置，提高能源使用效率。

目前，人们开发了物理储能、化学储能和电磁储能三大储能技术。根据国际储能联合会的研究报告，化学储能中的液流储能系统是最为理想的大规模储能形式。与其他储能技术相比，液流储能系统有以下优点：（1）容量可独立设计（2）使用寿命长（3）可深度放电（4）电池配件制作技术成熟，环境污染小。液流电池储能系统主要通过与可再生能源发电系统配套使用，使其能够稳定配电，在电网调峰，应急电源等领域有广阔应用前景。

钒电池最早由澳大利亚新南威尔士大学的Skyllas-Kazacos提出。日本从1985年起开发研究钒电池储能系统，美国和澳大利亚都经过多年的研究，已完成了钒电池的实用化研究并已实现工业化应用。

2.全钒氧化还原液流电池

2.1 钒电池工作原理

钒电池的全称为全钒氧化还原液流电池，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。高效储能钒电池其工作原理主要是将具有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。在对电池进行充、放电实验时，电解液通过泵的作用，由外部贮液罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化还原反应，实现对电池的充放电。

2.2 钒电池结构及特点

钒电池主要由电池隔膜、电极材料和电解液三部分组成。按照钒电池电解液是否流动，钒电池又分为静止型和流动型。静止型钒电池电解液不流动，可以防止负极V（Ⅱ）溶液的氧化，但缺点是容易产生浓差极化，并且电池容量有限。但是流动型钒电池的电解液呈流动状态，可以有效的解决这些问题。

与其他的液流储能系统相比，钒电池的独特之处在于正负极电解液都采用钒离子电解液，避免隔膜两侧电解液因不同金属离子穿透而造成交叉污染。

2.2.1 电池隔膜

全钒液流电池是一种功率和容量可独立设计的大规模储能装置，其关键技术在于隔膜材料、电极、电解液、电池堆设计以及系统集成。经过近30年的研究和发展，钒电池技术已日趋成熟，但其大规模应用还需进一步提高关键材料的性能，特别是隔膜材料的导电率、离子选择性以及稳定性。

电池的反应活性物质分别储存在正、负极储液罐内，通过循环泵流经电堆，由不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放。离子交换膜起到分隔正、负极电解液，传递载流子(H离子等)完成电流传输的作用。为满足钒电池的高效率、长寿命和低成本3方面的要求，隔膜材料需要具有优异的质子传导性、较低的钒离子渗透率、较小的净水迁移量以及优良的化学稳定性和机械性能。

近年来虽然一些新方法、技术及材料在VRB所用离子交换膜制备及改性处理中得到了应用，并取得了一定的进展，但新膜及改性膜的综合性能仍难以完全满足VRB商业化对膜的要求。由于阴、阳离子交换膜在材料、组成及结构上的差异，对于阳离子而言，阴离子膜有更好的选择性，在VRB中使用会有效降低电解液中活性钒离子的交叉渗透现象，提高电池电解液的稳定性和电池综合性能。在离子膜的研发上，目前看来还需进一步加大VRB电解液中相关离子在离子交换膜中的传导机理以及膜材料组成、结构、制备工艺与膜离子选择性间的内在联系等科学问题的研究力度，在此基础上进行新型材料的设计与合成，进而开发出高性能、低成本、长寿命且具有完全自主知识产权的新型离子交换膜及膜材料，其中尤其需重点关注阴离子交换膜及其材料的研制。