钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Flow Battery,VRB),是一种大规模蓄能电池,因其具有使用寿命长、能量效率高、成本低、绿色环保、电池储能容量与输出功率相互独立等优点,在新型大规模储能技术中占有重要地位,在可再生能源的并网发电、远程供电等领域使用,目前已经在中国、美国等多个国家和地区开展示范性工程,具有广泛的应用前景。但是,VRB存在钒离子跨膜传递而导致的自放电问题,一直是限制该电池推广应用的瓶颈问题之一。同时,电极材料理论研究的缺乏也在一定程度上限制了钒电池的发展。因此,深入研究VRB中的钒离子跨膜传递机理和电极材料性能,对于VRB电池性能的提高,促进VRB在储能领域的推广应用,具有重要的意义。本文在阅读大量关于钒电池文献的基础上,归纳了钒电池的研究现状和应用现状,阐述了钒电池的工作原理、电化学原理、结构及特点。同时,重点研究了不同温度和不同浓度时钒离子在Nafion117膜中的传递行为及钒电池电极电子传导能力的微观模拟。在钒离子跨膜传递试验中,采用自主设计的试验装置对质子交换膜内四种价态钒离子的传递进行了试验测试,使用TU-1900双光束紫外可见分光光度计测试四种价态钒离子溶液的吸光度,应用拟合的方法获得四种价态钒离子浓度和吸光度之间的关系式。最后对四种价态钒离子在质子交换膜中的扩散系数进行计算与分析,进一步分析温度和钒离子浓度对钒离子跨膜传质的影响,以此研究钒电池的自放电问题。研究发现:钒离子在质子交换膜中的扩散系数低于水在质子交换膜中的扩散系数;提高钒离子溶液浓度和降低钒电池工作环境温度均可降低钒离子在Nafion117膜中的扩散系数。在电极材料模拟计算中,采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究含氧官能团对钒电池电极电子传导能力的影响。建立钒电池石墨毡和氧化石墨烯电极计算模型,并对含有不同含氧官能团的电极模型分别进行了态密度分析、原子轨道电荷分布分析及体系能量分析。模拟分析发现:在石墨毡电极表面吸附氧原子后和羟基后,电子传输能力增强,吸附羧基后,局域性增强,形成能最小,体系最稳定:与C=O双键氧化石墨烯相比,C-O单键氧化石墨烯的电子传输能力相对较好;同为吸附羟基时,与石墨毡电极相比,石墨烯电极的态密度更为平缓,离域性较强,具有较好的电子传导能力。