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国外通信用蓄电池技术研究的新进展<1>（孙向阳、张树治）
通信用蓄电池作为通信系统后备的能源供应手段，其研制、生产和应用技术一直倍受
世界各国通信行业的重视。当前广泛使用的阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA），由于众所周
知的弱点和缺陷，已越来越不能适应信息时代通信发展的实际需要。随着科技的发展和技
术的不断进步，国外正在研制和减验新一代的通信用蓄电池，有的已经进入商用化阶段。
这些新的蓄电池，由于其材料、结构和技术上的先进性，在性能上具有传统的VRLA电池无
可比拟的优越性。本文根据有关资料，对目前国外发展得比较成熟的钒电池和聚合锂离子
电池进行初略介绍，希望能对国内的同行有所启发和借鉴。
一、钒电池（Vanadium Redox Battery）
钒电池（VRB）是一种可以流动的电池，目前正在逐步进入商用化阶段。VRB作为一种
化学的能源存储技术，和传统的铅酸电池、镍镉电池相比，它在设计上有许多独特之处，
性能上也适用于多种工业场合，比如可以替代油机、备用电源等。利用VRB技术设计制造
的VESS系统（VanadiumEnergy Storage System，即钒能源存储系统），其设计和操作特
性在VRB的基础之上被优化，而且集成了许多自动化的智能控制和用于管理操作的电子装
置。
简单地说，钒电池将存储在电解波中的能量转换为电能，这是通过两个不同类型的、
被一层隔膜隔开的钒离子之间交换电子来实现的。电解液是由硫酸和钒混合而成的，酸性
和传统的铅酸电池一样。由于这个电化学反应是可逆的，所以VRB电池既可以充电，也可
以放电。充放电时随着两种钒离子浓度的变化，电能和化学能能相互转换。
VRB电池由两个电解液地和一层层的电池单元组成。电解液地用于盛两种不同的电解
液。每个电池单元由两个“半单元”组成，中间夹着隔膜和用于收集电流的电极。两个不
同的“半单元”中盛放着不同离子形态的钒的电解液。每个电解液池配有一个泵，用于在
封闭的管道中为每一个“半单元”输送电解液。当带电的电解液在一层层的电池单元中流
动时，电子就流动到外部电路，这就是放电过程。当从外部将电子输送到电池内部时，相
反的过程就发生了，这就是给电池单元中的电解液充电，然后再由泵输送回电解液池。
在 VRB中，电解液在多个电池单元间流动，电压是各单元电压串联形成的。标称电压
是1.2V。电流密度由电池单元内电流收集极的表面积决定，但是电流的供应取决于电解液
在电池单元间的流动，而不是电池层本身。VRB电池技术的一个最重要的特点是：峰值功
率取决于电池层总的表面积，而电池的电量则取决于电解液的多少。在传统的铅酸和镍福
电池中，电极和电解液被放置到一块，功率和能量强烈地依赖于极板面积和电解液的容量。
但VRB电池不是这样，它的电极和电解液不一定必须放到一块，这就意味着能量的存放可
以不受电池外壳的限制。
从电力上来讲，不同等级的能量可以为电池层中不同的电池单元或单元组中通过提供
足够的电解液来得到。给电池层充电和放电不一定需要相同的电压。例如，VRB电池可以
用串联电池层的电压放电，而充电则可以在电池层的另一部分用不同的电压进行。
VRB电池用于通信，其优点明显：（1）能量循环效率高；（2）深度放电后寿命不会受
影响；（3）不会由于电解液的腐蚀而使化学特性受到影响；（4）电解液可以无限期使用
（没有处理的问题）；（5）循环寿命是无限的（仅受隔膜的限制）；（6）能量的存储量
可以精确地测量出来；（7）在使用中对环境的影响很小。这些特性为在各种各样的通信应
用中发展直流能源存储系统提供了保障。
VESS是把VRB集成起来的、一个实用的能源存储系统。该系统中采用的专家控制技术，
可以使操作管理、容量管理、日常维护、纠错处理、系统状态监视和外部通信自动化。
VESS放弃了在传统的备用能源中常用的如充电、放电、线电压等概念，而以能量存储和转
移的概念来代替。
VESS在通信中应用的一个主要特征：VESS可以对现有的通信动力基础设施做出更有利
的使用，而且可以考虑在新的无污染的通信应用中引入能源存储的基础设施。
作为一个单一的能源存储元件， VESS只需安装一次就可以多种不同的电压提供动力。
相对于传统的串联型的铅酸或镍镉电池，这种优越性是显著的。
从存储的观点看，这是因为：（1）所有存储起来的能量都在电解波中；（2）可以输
出的动力取决于电极（层）的尺寸；（3）系统能量的密度可以从物理上和系统存储的能
量隔离开来；（4）存储起来的能量很稳定。
从系统运行的观点看，这是因为：（1）每一个单元都具有相同的带电状态；（2）系
统可以同时充电和放电；（3）充电速度比铅酸电池快；（4）运行时可以有一种或多种电
输入，而且可以输出多种电压值；（5）有自动功能，可以自动整流和自动保护。从系统
维护的观点，这是因为：（1）可以通过添加电解液来增加系统的独立运行的时间；（2）
系统的能量存储可以在任何时间增加，费用只有铅酸电池的20％；（3）寿命长，5－10年
后只需更换部分零部件；（4）维护量很少。
和许多传统的、二次电池技术相比，VRB在成本上很有竞争性，而且以前认为采用铅
酸电池技术会很贵或不可能实现的一些应用，现在用VESS就可以很容易实现。因此对于现
在的直流电源系统，VESS是一种很理想的替代品。
VESS电池的容量只需用油量表就可以知道，并且能量存储的成本很低，所以它在通信
应用中的前景是很诱人的。另外，VESS的能量存储轻便，并且存储和使用相互独立，所以
可以用在通信应用的特定场合。
替代油机。通信动力系统中通常都使用柴油发电机，以便在停电时提供长时间的动力。
当油机启动和预热时，通常需要一个电池来提供短时间的动力。在通信站还经常使用UPS来
提供交流不间断和直流不间断电源，两者都需要一个单独的电池。一些小站口使用一个电
池供应不间断的直流电源，不间断交流电源则通过逆变需得到。备用系统的油机在动力系
统的投资中占了很大一部分，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，油机的利用率很低，因此其单位时间的使用成本是比较高的。而基于VESS的新系统则
有潜力替代动力系统中的油机，为UPS和高可靠性的直流电源提供总的、多功能的能量存储
解决方案。
替代太阳能电池。一些通信管理部门维护着巨大的、地理分布很广的太阳能电池供电
的通信网络。太阳能供电系统的能量存储零件通常是铅酸电池，这需要的维护量很大。VE
SS有潜力替代太阳能电池，减少成本，提高生产率。
在典型的通信应用中，和铅酸电池相比，VESS有许多优点；（1）自动控制功能提供了
自动保护、自动整流和系统控制界面；（2）内部控制单元可以控制其它的系统部件；（3）
能量的存储量可以很精确地直接读出；（4）寿命长，使用5年左右的时间后，只需更换部
分零部件；（6）能量的存储量可以在任何时间添加，成本只有铅酸电池的20％，约为200
美元/kWh。
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