釩電池技術的迅猛發(fā)展,釩電池是否能引領新能源革命?
隨著釩電池技術的迅猛發(fā)展,釩電池必將為人類帶來一場前所未有、意義重大深遠的新能源產(chǎn)業(yè)革命!
釩電池優(yōu)點
與其它化學電源相比,釩電池具有明顯的優(yōu)越性,主要優(yōu)點如下:
1.功率大:通過增加單片電池的數(shù)量和電極面積,即可增加釩電池的功率,目前美國商業(yè)化示范運行的釩電池的功率已達6兆瓦。
2.容量大:通過任意增加電解液的體積,即可任意增加釩電池的電量,可達吉瓦時以上;通過提高電解液的濃度,即可成倍增加釩電池的電量。
3.效率高:由于釩電池的電極催化活性高,且正、負極活性物質分別存儲在正、負極電解液儲槽中,避免了正、負極活性物質的自放電消耗,釩電池的充放電能量轉換效率高達75%以上,遠高于鉛酸電池的45%。
4.壽命長:由于釩電池的正、負極活性物質只分別存在于正、負極電解液中,充放電時無其它電池常有的物相變化,可深度放電而不損傷電池,電池使用壽命長。目前加拿大VRBPowerSystems商業(yè)化示范運行時間最長的釩電池模塊已正常運行超過9年,充放循環(huán)壽命超過18000次,遠遠高于固定型鉛酸電池的1000次。
5.響應速度快:釩電池堆里充滿電解液可在瞬間啟動,在運行過程中充放電狀態(tài)切換只需要0.02秒,響應速度1毫秒。
6.可瞬間充電:通過更換電解液可實現(xiàn)釩電池瞬間充電。
7.安全性高:釩電池無潛在的爆炸或著火危險,即使將正、負極電解液混合也無危險,只是電解液溫度略有升高。
8.成本低:除離子膜外,釩電池部件多為廉價的碳材料、工程塑料,材料來源豐富,易回收,不需要貴金屬作電極催化劑,成本低。
9.釩電池選址自由度大,可全自動封閉運行,無污染,維護簡單,運營成本低。
釩電池市場前景
中國和世界釩電池市場分別見表1、表2,其中風力發(fā)電和光伏發(fā)電的釩電池市場需求按總裝機量(見表3~6)的25%計算,其它領域的釩電池市場需求按100%計算;釩電池產(chǎn)值以2萬元/千瓦計算,不含電解液。
風力發(fā)電
目前風力發(fā)電機需要配備功率大約相當于其功率1%的鉛酸電池用于緊急情況時風機保護收風葉用,另外每一臺風機還需要配備功率大約相當于其功率4%的后備蓄電池。由于電網(wǎng)已成為風電發(fā)展的瓶頸,隨著風電的爆炸式發(fā)展,風電與電網(wǎng)的矛盾將越來越突出,為了減少對電網(wǎng)的沖擊,大幅度提高風電場電力的使用率同時賺取巨額的電網(wǎng)峰谷差價,風電場將需要配備功率相當于其功率10~50%的動態(tài)儲能蓄電池。對于風機離網(wǎng)發(fā)電,則需要更大比例的動態(tài)儲能蓄電池。
由于風機現(xiàn)在使用的鉛酸電池存在容量小、壽命短、穩(wěn)定性差、維護費時費力、污染大等嚴重缺陷,風機制造廠家一直在尋找更好的可以替代鉛酸電池的產(chǎn)品,相信擁有眾多杰出優(yōu)點的釩電池完全可以取代現(xiàn)有的鉛酸電池,進而構建風電場的動態(tài)能源儲存系統(tǒng),大幅度提高風電場的效率和效益,推動風電產(chǎn)業(yè)更好更快地發(fā)展。
光伏發(fā)電
據(jù)權威機構統(tǒng)計,近幾年全球光伏組件的年均增長率高達30%,光伏產(chǎn)業(yè)成為全球發(fā)展最快的新興行業(yè)之一。特別是2008年,全球光伏發(fā)電裝機總量達到3吉瓦。
顧名思義,光伏發(fā)電需要太陽光,一旦到了晚上和陰雨天就發(fā)不了電,因而需要蓄電池為其儲存電力,由于鉛酸電池功率、容量、壽命均非常有限,相信集眾多杰出優(yōu)點于一身的釩電池將作為光伏發(fā)電儲能電池的首選。
電網(wǎng)調峰
電網(wǎng)調峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。近二三十年來,世界發(fā)達國家抽水蓄能電站發(fā)展越來越快。世界上抽水蓄能電站發(fā)展最快、裝機容量最多的是日本,其次是美國、意大利、德國、法國、西班牙等,日本和美國抽水蓄能電站裝機容量均已超過2000萬千瓦。
由于抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫,受地理條件限制較大,在平原地區(qū)不容易建設,而且占地面積大,維護成本高。釩電池蓄能電站不受地理條件限制,選址自由,占地少,維護成本低。可以預期,隨著釩電池技術的發(fā)展,釩電池蓄能電站將逐步取代抽水蓄能電站,在電網(wǎng)調峰中發(fā)揮重要的作用。
交通市政
隨著世界城市化進程的不斷加快和汽車保有量的持續(xù)增加,汽車尾氣污染已經(jīng)成為城市空氣污染的頭號污染源。大力發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的電動汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車,已成為了人們的共識。隨著釩電池技術的快速發(fā)展,可以預期,擁有眾多杰出優(yōu)點的釩電池將在電動汽車(特別是城市公交客車)、電動機車、電動自行車、電動船舶、交通信號、風光互補路燈等廣闊領域發(fā)揮重要作用。
通訊基站
通信基站和通信機房需要蓄電池作為后備電源,且時間通常不能少于10小時。對通訊運營商來講,安全穩(wěn)定可靠性和使用壽命是最重要的,在這一領域,釩電池有著鉛酸電池無法比擬的先天優(yōu)勢。
UPS電源
賽迪顧問研究顯示,2007年UPS市場出現(xiàn)了持續(xù)增長的態(tài)勢,主要原因是中國經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展帶來的UPS用戶需求分散化,使得更多的行業(yè)和更多的企業(yè)對UPS產(chǎn)生了持續(xù)的需求。未來幾年,UPS產(chǎn)品發(fā)展的方向是更高的可用性、安全性以及功能的集成化、智能化和人性化。
目前中國的UPS市場強烈需求功率大、安全、穩(wěn)定可靠的蓄電池,釩電池在這一領域,相對于鉛酸電池無論在功率、安全穩(wěn)定性、還是使用壽命上都有著絕對優(yōu)勢。
分布電站
當今社會對能源與電力供應的質量、效率、環(huán)保以及安全可靠性要求越來越高,大電網(wǎng)由于自身的缺陷已經(jīng)不能滿足這種要求。隨著分布電站的崛起,大型中心電站將逐步走向衰落。相信釩電池將首先在醫(yī)院、指揮控制中心、數(shù)據(jù)處理和通訊中心、商業(yè)大樓、娛樂中心、政府要害部門、制藥和化學材料工業(yè)、精密制造工業(yè)的分布電站中發(fā)揮重要作用。
軍用蓄電
釩電池還可以在軍事基地、指揮中心等軍事部門的軍用蓄電中發(fā)揮重要作用。
廢舊電池簡介
1. 電池的組成:干電池、充電電池的組成成分:鋅皮(鐵皮)、碳棒、汞、硫酸化物、銅帽;蓄電池以鉛的化合物為主。舉例:1號廢舊鋅錳電池的組成,重量70克左右,其中碳棒5.2克,鋅皮7.0克,錳粉25克,銅帽0.5克,其他32克。
2. 電池的種類:電池主要有一次性電池、二次電池和汽車電池。一次性電池包括紐扣電池、普通鋅錳電池和堿電池,一次性電池多含汞。二次電池主要指充電電池,其中含有重金屬鎘。汽車廢電池中含有酸和重金屬鉛。
3. 電池數(shù)量:DC、MP3等數(shù)碼產(chǎn)品在以超猛的速度發(fā)展,而且都在使用著電池,電池的使用量在迅速增加,如果再不付諸行動的話,電池山的現(xiàn)象遲早會發(fā)生。
廢電池看上去很不起眼,可是害處卻很大。如果你知道電池中含有的汞、鎘、鉛等金屬物質的危害,你也就知道廢電池的厲害了。
廢舊電池電池的危害
電池產(chǎn)品對環(huán)境的危害主要是酸、堿等電解質溶液和重金屬的污染。不同類型的電池污染物也不同。
一般來說,電池中的有害物質主要有Zn、Hg、CNi、Pb等重金屬;鉛蓄電池中的H2S04;各種堿性電池中的KOH和鋰電池中的IiPP6電解液等。Hg及其化合物,特別是有機汞化物,具有極強的生物毒性、較快的生物富集速率和較長的腦器官生物半衰期。Cd易在動植物體內富集,影響動植物的生長,具有很強的毒性。Pb對人的胸、腎臟、生殖、心血管等器官和系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響,表現(xiàn)為智力下降、腎損傷、不育及高血壓等。Zn,Ni的毒性相對較小,但超過一定濃度范圍時,會對人體產(chǎn)生不良影響和危害。廢舊電池中的酸、堿解質溶液會影響土壤利水系的pH值,使土壤和水系酸性化或堿性化。電池電解質構成污染的主要組份是其中的可溶重金屬,特別是鉛蓄電池電解液中大量的硫酸鉛和鎳鎘電池中的氫氧化鎘。電池中的重金屬離子在土壤或水體中溶解并被植物的根系吸收,當牲畜以植物為食料時,體內就積累了重金屬。人類食人含重金屬的糧食、蔬菜和肉類、水,順著這條食物鏈,重金屬就會在人體里富集。由于重金屬離子在人體里難以排泄,最終會損害人的神經(jīng)系統(tǒng)及肝臟功能。
廢電池的回收利用研究
2.1 廢電池再生利用現(xiàn)狀
國內使用最多的工業(yè)電池為鉛蓄電池,鉛占蓄電池總成本50%以上,主要采用火法、濕法冶金工藝以及固相電解還原技術。外殼為塑料,可以再生,基本實現(xiàn)無二次污染。
小型二次電池目前使用較多的有鎳鎘、鎳氫和鋰離子電池,鎳鎘電池中的鎘是環(huán)保嚴格控制的重金屬元素之一,鋰離子電池中的有機電解質,鎳鎘、鎳氫電池中的堿和制造電池的輔助材料銅等重金屬,都構成對環(huán)境的污染。小型二次電池目前國內的使用總量只有幾億只,且大多數(shù)體積較小,廢電池利用價值較低,加上使用分散,絕大部分作生活垃圾處理,其回收存在著成本和管理方面的問題,再生利用也存在一定的技術問題。
民用干電池是目前使用量最大、也是最分散的電池產(chǎn)品,國內年消費80億只。主要有鋅錳和堿性鋅錳兩大系列,還有少量的鋅銀、鋰電池等品種。鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋅銀電池一般都使用汞或汞的化合物作緩蝕劑,汞和汞的化合物是劇毒物質。廢電池作為生活垃圾進行焚燒處理時,廢電池中的Hg、Cd、Pb、Zn等重金屬一部分在高溫下排人大氣,一部分成為灰渣,產(chǎn)生二次污染。
2.2 廢舊干電池再生利用技術
a.人工分選回收利用技術
一般是將干電池分類后,進行簡單的機械剖開,人工分離出鋅皮、塑料蓋、炭棒等,殘存的Mn02、水錳石等混合物送人回磚窯煅燒,制成脫水的Mn02,此法簡單易行,但占用勞動力較多,經(jīng)濟效益不大。
b.火法回收利用技術
一般是將干電池分類、破碎后,送入回轉窯,在1100~1300攝氏度的的高溫下,鋅及氯化鋅被氧化為氧化鋅隨煙氣排出,用旋風除塵器回收氧化鋅,殘存的二氧化錳及水錳石進入殘渣,再進一步回收錳等物質,此法簡便易行,一般的冶煉廠勿需增加設備即可回收鋅。
c.濕法回收利用技術
根據(jù)鋅、二氧化錳可溶于酸的原理,將廢舊干電池分類、破碎后,置于浸出槽中,加入稀硫酸(100~120g/L)進行浸出,得到硫酸鋅溶液,可用電解法制得金屬鋅,濾渣經(jīng)洗滌分離出銅帽、炭棒后,剩余物Mn02、水錳石經(jīng)煅燒后制得Mn02。所用方法有焙燒一浸出法和直接浸出法。
濕法與火法相比較,具有投資少,成本低,建廠速度快,利潤高、工藝靈活等優(yōu)勢,但不能保障有害成份完全回收。
3. 廢電池回收利用過程中二次污染的防治
以上的三種回收方法皆簡單易行,但各有不足,存在著二次污染的問題,通過大量實驗測定,我們得到了防治二次污染的可行方法。
首先將廢舊干電池分類,以機械進行剖開后,分離出銅帽、鋅皮,可分別回收利用。剩余的炭包物質經(jīng)磁選除鐵后,按1:4的固液比用水浸制1小時,取上層清液進行蒸發(fā)、結晶,沉淀物的主要成份是Mn02、MnO(OH)、乙炔黑、碳棒等物質,加入回轉窯煉到600攝氏度,產(chǎn)生的煙氣經(jīng)冷凝后可得凝縮液,定期清洗即可得純汞。同時也防止汞蒸氣污染環(huán)境。在煅燒的過程中,混合物中大量的乙炔黑與碳,將Mn02還原為MnO。其反應過程如下: 2Mn0 2 +C--->2MnO+C0 2 .把此煅燒物按固液比1:4加入濃度小于2mol/L硫酸溶液中,在溫度80℃下浸制1小時,發(fā)生如下反應:MnO+H 2 S0 4 --->MnS0 4 +H 2 0 .得到硫酸錳鹽溶液,同時,也將引人其他可溶性重金屬硫酸鹽。
所得的鋅皮及銅等金屬可直接重熔利用,氯化銨可以制肥料或提純作為化工試劑,硫酸錳是動、植物生長的激素成份,可用于油漆油墨的吹干劑和一些有機合成反應的催化劑,此外也用于造紙、陶瓷、印染和電解錳的生產(chǎn)試劑。表1為鋅錳干電池可回收物質的成份。
這種回收方法投資較少,采用的設備簡單,易于在中小城市得以實現(xiàn),從而免除了廢舊電池的運輸問題。
廢電池回收之后的溶液,濃縮并與EDTA反應生成金屬絡合物,可以徹底消除二次污染。經(jīng)測定,回收廢電池后的溶液中所含重金屬量符合國家環(huán)保標準。若要將這些金屬進行分離,利用其穩(wěn)定性不同可分級處理。表2為金屬離子與EDTA絡合穩(wěn)定常數(shù)。
4 廢舊電池回收過程中存在的問題及建議
①電池回收后無法處置,一般都采用堆放。堆放過程中電池有可能泄漏或有毒物質擴散。
②由于電池的種類繁多,假冒產(chǎn)品多,也給電池回收帶來了困難,有的電池是含汞電池,有的是含鎘電池,有的以氯化銨為電解液,而有的則以氯化鋅為電解液,因此建議生產(chǎn)廠家用統(tǒng)一的標準標識電池的種類及內含的主要成份,以便回收利用。
③加強高性能環(huán)保型電池的開發(fā),實現(xiàn)普通民用電池的無汞化。
④回收處理廢電池,國家應從政策上給予扶持。
















