钒电池全称为全钒氧化还原液流电池（all-vanadium redox flow battery，vrb），属于新兴储能器件，具有诸多优势，例如使用寿命长、可深度放电、不污染环境、转换率可高达78%等，因此引起了国内外相关领域研究人员的广泛重视和各国政府的关注，近十年内钒电池作为大规模的储能设备，在发电领域尤其是风力发电、电网的昼夜峰值调整中广泛应用，并在太阳能领域和电动汽车电源的蓄电等方面得到高度的发展。
本文对钒电池原理以及钒电池技术的发展进行了概述，基于钒电池领域国内专利申请数据对有关钒电池的专利分布进行了分析，同时从专利视角对钒电池领域发展提出了展望。
钒电池研究已进入实用阶段，技术问题正不断改进
钒电池属于液流电池，是一种清洁大规模储能电池。1985年澳大利亚新南威尔士大学的教授提出，通过利用不同价态（v5 /v4 和v2 /v3 ）的钒离子溶液分别作为正极电解质和负极电解质，实现电子传输。概括来说，钒电池是一种氧化还原反应的电化学反应器件，该器件电化学反应是通过不同价态的钒离子电解液进行的。钒电池具有两个储液罐，两个储液罐分别储存正极电解液、负极电解液，电解液中包括钒离子v4 /v5 和钒离子v2 /v3 ，它们分别作为电池的正极和负极氧化还原对，电解液被液体泵驱动运输，流动到反应容器中发生相应的化学反应，反应后的电解液再流动回到储液罐中，如此往复，由此形成循环液流回路，进行充电和放电。详见图1。
目前的钒电池研究已经进入实用阶段，但是仍有许多技术问题亟待解决。钒电池主要由电极、电解液和质子交换膜构成。钒电池发展的关键技术包括电解、电堆、控制、系统集成等方面，其中电堆包括离子交换膜、电极材料、双极板、电堆流场和密封。近几年对钒电池的改进主要包括对电极、电解液、交换膜以及电池结构和封装方面。
离子交换膜是构成钒电池的重要材料，离子交换膜具有多种功能，包括：通道桥梁作用，例如为正负极电解液提供氢离子的传输通道；以及隔离作用，例如防止两侧电解液彼此渗透，由此能够阻止电池自放电效应。性能良好的钒电池依赖于高性能的离子交换膜，也就是具有高的离子传导率，同时机械性能和化学性能稳定的离子交换膜，从经济角度考虑，离子交换膜还需要具有较低的生产成本。
目前钒电池的交换膜材料主要包括阴离子交换膜和阳离子交换膜，但是阴离子交换膜是钒电池交换膜的主流，原因在于：阳离子交换膜具有带负电基团，会吸引带正电的钒离子，容易引起溶液的交叉污染，因此钒离子的渗透率不能有效降低；阴离子交换膜的基团带正电，该基团与钒离子会发生道南（donan）效应，该效应能够适当地阻止钒离子的渗透，因此可以阻止置于交换膜两边的电解液彼此渗透而造成交叉污染的情况，由此钒电池的自放电效应大幅减少。目前科研团队致力于开发一种专门适用于钒电池交换膜，例如专利cn104804207a 公开了“一种可用于钒电池的阴离子交换膜，该膜含咪唑盐侧基的聚醚醚砜，聚醚醚砜主链具有比较好的物理化学性能和机械性能，含咪唑盐侧基具有比较好的化学稳定性和离子交换性能”。
电极作为钒电池重要的部件，被众多科研机构重视和研究，电极及其相关特性已经成为钒电池发展的关键技术。目前，在钒电池中性能最好的是碳素类电极，特别是聚丙烯腈基碳纤维毡 ，钒电池主流采用导电塑料双极板热粘接石墨毡制备一体化电极，但该电极存在诸多缺点，例如一体化电极通常粘接性根据导电塑料双极板中树脂基体和导电成分的不同而不同，也就是粘接性受到导电塑料双极板的限制；双极板材料的耐腐蚀性因长期电解液流动而导致降低；导电填料和树脂基体之间的相容性也影响电极的性能等。
因此出现了对电极材料及结构设计的多方面创新改进，例如专利cn107799780 a 提出“在碳纤维毡上引入了能增强钒电池电对活性和增加碳纤维材料表面电子转移的活性位点的含氮官能团的生产方法”。专利cn108023097 a“采用热喷涂的方式在热金属板两侧喷导电层，再喷树脂层，固化后在树脂层上喷另一导电层制备钒电池用集流体，解决了现有金属板表面生成钝化膜、长时间使用电阻增大、集流板分压过高的问题”。
国内钒电池专利分布统计及分析
为了更好地对钒电池进行研究，下面从专利申请量和重点专利申请人角度对我国钒电池专利分布进行了统计和分析。
图2是近10年的有关钒电池的专利申请分布，从2015年开始钒电池的专利申请数量开始增加，说明国内对钒电池的研究开始规模化，并呈持续式增长态势，但总体专利申请数量不高，2023年的钒电池专利申请数量增加较快，在国外钒电池已经商业化的态势下，目前这种钒电池的国内专利分布情况不利于钒电池技术的推陈出新，国内相关企业更容易形成跟随国外技术的外围企业。作为钒矿产量占全球62%的国家，我们更应该掌握钒电池技术的主动，逐步从能源输出转型为产品输出的上游产业链，由此创造更大的经济效益。
国内钒电池领域重要的申请人包括：中国科学院金属研究所、攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司、大连融科、北京普能等，从图3可以看出，国内关于钒电池的专利申请主要集中在中国科学院金属研究所，专利申请量相对较多的还包括攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司、大连融科、成都先进金属材料产业技术研究院有限公司和国网电力；而作为率先在国内开始钒电池研制的中国工程物理研究院电子工程研究所专利申请数量却相对不高，同时作为国内重要钒电池公司的北京普能申请数量也相对较低。从申请人专利分布情况可以看出，目前国内钒电池的研究重要分布在科研院所，而钒电池的相关公司企业则更注重市场拓展，产品研发方面则相对迟缓，这不利于钒电池的国际市场技术布局和战略投资。
我国钒矿储量丰富，钒电池未来发展前景广阔，钒电池的开发研究对国际民生具有重要意义，希望钒电池相关公司企业在开发市场的同时兼顾专利战略布局，以利于钒电池技术未来的高远发展。