综述：通过短流程冶金技术，从钒提取到能源存储应用的创新发展

《Separation and Purification Technology》：Innovative development from vanadium extraction to energy storage application by short-process metallurgical technologies

钒提取技术面临传统方法高污染高成本问题，短流程技术成为解决VRFB能量存储材料制备的关键。通过系统评述氧化还原机制，将提取过程分为四类矿物处理策略，重点分析溶剂萃取与湿法冶金在提升钒回收率（>90%）和降低能耗（<500kW·h/t）方面的优势，提出整合冶金工艺与储能材料制备的协同发展模式。

　　

Jinpeng Wu|Chenlong Gao|Wei Wang|Xin Tao|Yi Lu|Shijie Li|Mingyong Wang|Shuqiang Jiao

北京科技大学先进冶金国家重点实验室，中国北京100083

摘要

由于传统的钒提取方法污染严重且成本高昂，同时长寿命钒氧化还原液流电池（VRFB）的重要性日益凸显，因此低工艺流程的钒提取技术成为了一个具有高安全性和符合未来绿色能源需求的有前景的选择。本文综述了从不同原料中提取钒的最新进展，评估了提高钒提取效率的氧化方法和还原方法的机理，并深入讨论了低工艺流程的钒提取技术。氧化过程被重新分类为四种不同的机制，并系统地研究了它们各自的应用场景。值得注意的是，某些还原方法在适应低工艺流程方面表现出色，这在提高钒提取效率、降低生产成本以及促进VRFB的应用方面发挥了重要作用。具体来说，本文总结了利用溶剂萃取法从低成本且环保的矿石中制备储能材料的短工艺流程。最后，展望了结合储能材料需求和创新冶金技术的发展方向，以推动低工艺流程钒提取技术的进一步发展。

引言

钒是一种具有多种价态的有色金属元素，在钢铁、催化剂、储能等多个领域具有重要应用。因此，钒被称为“现代工业中的味精”。目前，约85%的钒作为添加剂用于钢铁中，以提高其强度和延展性[1]。然而，随着科学技术的发展，可再生能源的储能技术变得越来越重要。电化学储能设备具有高能量密度、对地形要求低等独特优势。

近年来，锂离子电池（LIBs）已在电动汽车、电站等多种储能场景中得到成功应用。然而，LIBs容易发生燃烧和爆炸，存在安全隐患。此外，地球上有限的锂资源无法满足大规模商业化应用的需求。因此，需要更安全、更清洁的储能技术。由于钒的多价性质，新南威尔士大学（UNSW）的Skyllas-Kazacos团队于1986年首次提出了全钒氧化还原液流电池（VRFB）。该电池通过正极中的VO₂⁺/VO²⁺和负极中的V²⁺/V³⁺的氧化还原反应实现储能[2]。与商用LIBs相比，VRFB具有超过20,000次的循环寿命和高安全性。同时，VRFB的活性材料可以有效地回收利用，从而降低生产成本。

对于VRFB而言，仍需解决一些问题。首先，钒产品（如V₂O₅）的产量有限，以及钒提取成本高昂是关键问题。传统钒提取方法（如钠焙烧辅助浸出法）的缺点在于成本高且污染严重。一方面，钒主要以稳定的尖晶石结构与其他元素共存，形成低品位的含钒矿石（如钒钛磁铁矿VTM等）。此外，大多数钒产品是钢铁生产过程中的副产品，这也导致了钒产量的限制。因此，从潜在的含钒原料中提取钒具有重要的意义。含钒原料主要有四种类型：VTM、石煤、含钒废催化剂和含钒废水。需要开发新的方法同时提取钒和其他元素，以避免浪费含钒矿石中的有价值元素。研究人员还对各种含钒原料进行了研究。目前已有基于传统冶金工艺的钒提取综述，但基于钒价态的短工艺流程钒电解质（如VOSO₄电解质）提取进展尚未得到充分探讨。

本文总结了现有的钒提取方法（图1）。通过对火法冶金提取钒的深入比较分析，将这些方法分为与矿物加工策略相匹配的四种机制。根据目标产物的价态，系统地回顾了钒的氧化和还原方法。基于冶金提取和储能材料制备的集成概念，总结了VOSO₄电解质的短工艺制备方法。溶剂萃取法和湿法冶金技术有望缩短工艺流程、降低成本并提高VOSO₄电解质的经济可行性。所提出的集成发展概念有望改进传统冶金工艺，显著降低能耗、环境污染和生产成本。

含钒原料的钒提取方法

有超过50种含钒原料可用于钒提取，如钒钛磁铁矿（VTM）矿渣、石煤、废催化剂等。然而，由于钒元素品位极低、地缘政治差异及矿物结构的原因，只有少数原料适合提取钒。目前，主要使用石煤和VTM来提取钒产品。石煤作为一种含钒的碳质页岩...

用于储能的短工艺流程钒基材料制备

随着可再生能源的发展，储能技术引起了研究人员的关注，尤其是需要具备维持电网稳定性的长寿命储能技术。已经开发出了多种储能技术。电化学储能技术具有建设周期短、适用场景灵活、能量供应稳定等优点。然而...

结论与展望

本文系统总结了钒提取方法及其相关材料（如钒电解质）的制备技术的研究进展。高效、低成本、环保的钒提取工艺是新型短工艺流程生产VOSO₄电解质的重点。应根据含钒原料的特性选择合适的工艺。湿法冶金技术和溶剂...

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

国家自然科学基金（92475202、52474318）、北京新星计划（20250484955）、甘肃省科技项目（24RCKA004）以及北京科技大学青年教师跨学科研究项目（中央高校基本科研业务费，FRF-IDRY-GD23-005）。作者还感谢小米基金会对小米青年学者计划的支持。