出品：科普中國

制作：寒木釣萌

監(jiān)制：中國科普博覽

大連建成了一個(gè)“超級(jí)電池”，一期工程現(xiàn)已進(jìn)入并網(wǎng)調(diào)試最后階段，預(yù)計(jì)10月中旬正式投入使用。目前一次可存入40萬度電，可供20萬居民使用一天。待工程全部完工后，4小時(shí)內(nèi)可存入80萬度電。

這個(gè)“超級(jí)電池”可不是由大量鋰電池堆積而成的，它是另一種電池——全釩液流電池，簡稱釩電池。今天，咱們就來好好說說它是怎么充放電的。

三張圖認(rèn)識(shí)釩

釩元素大家比較陌生，但在元素周期表上，它與大家熟知的鈦元素是鄰居，距離鐵元素也不是那么遠(yuǎn)，中間只隔著兩個(gè)小區(qū)。

釩在元素周期表中的位置

（圖片來源：Siriudie）

釩的原子序數(shù)為23，符號(hào)為V，是一種堅(jiān)硬、銀灰色、有延展性的過渡金屬。

純度為99.95%釩方棒

（圖片來源：eigene Aufnahme）

“灰頭土臉”的純釩并不好看，但它各種價(jià)態(tài)的溶液卻是十分艷麗。

不同價(jià)態(tài)的釩溶液

（圖片來源：Hyung Kim）

價(jià)態(tài)是關(guān)鍵

關(guān)于釩的各種價(jià)態(tài)，我們必須展開講講。

化合物中，失去電子的一方，或者說給出電子的一方為正價(jià)，而獲得電子的則為負(fù)價(jià)。

例如二氧化碳CO2,碳因?yàn)槭チ?個(gè)電子，所以其價(jià)態(tài)為正4價(jià)，寫作C4+。再如一氧化碳CO，此時(shí)的碳只給出了2個(gè)電子，所以其價(jià)態(tài)為正2價(jià)，寫作C2+。

之所以要說價(jià)態(tài)，是因?yàn)椴煌瑑r(jià)態(tài)的釩離子之間存在的電位差是其能作為電池的原因。舉個(gè)例子，正2價(jià)釩離子和正5價(jià)釩離子，它們的電位差為1.259伏。而我們常見的5號(hào)電池，其正極和負(fù)極之間的電位差也通常不過為1.5V或者1.2V。

存在著電位差，就存在著化學(xué)能。正如存在著高度差，就存在著重力勢能。

比如說，上下兩個(gè)水庫，高度差為1259米，此時(shí)你第一個(gè)想到的是什么呢？必然是能量的可釋放以及可存儲(chǔ)，這就是抽水蓄能電站。

化學(xué)能和重力勢能，名字不一樣，但它們蘊(yùn)含的能量經(jīng)過轉(zhuǎn)化后，本質(zhì)上并無不同。

因此，當(dāng)兩大桶溶液存在電位差時(shí)，兩者就可以經(jīng)過轉(zhuǎn)化釋放其中的能量，這就構(gòu)成了電池。此時(shí)，兩桶溶液分別就是電池的正極和負(fù)極。

釩電池是咋放電的？

為便于大家形象地理解釩電池的放電原理，可以想象這樣一個(gè)畫面：

在一個(gè)垂直懸崖上，一上一下掛著兩大桶溶液，分別是5價(jià)釩離子溶液和2價(jià)釩離子溶液。

（圖片來源：作者自制）

不難看出，在5價(jià)釩離子溶液和2價(jià)釩離子溶液之間還隔著3價(jià)和4價(jià)，存在1.259伏的電位差，正如懸崖上存在兩個(gè)高度相差1259米的水池。

5價(jià)釩離子溶液中的釩離子，因?yàn)樗鼈兌际チ?個(gè)電子，所以它們有一種強(qiáng)烈的想獲得電子，以便讓自己更完整的沖動(dòng)。問題是，從哪里搶奪電子呢？從弱者身上，也就是下面的2價(jià)釩離子溶液。

故，釩電池源源不斷的放電過程，其實(shí)就是下方的2價(jià)釩離子溶液不斷失去電子，繼而讓自己變成3價(jià)釩離子溶液，同時(shí)也是上方的5價(jià)釩離子溶液不斷得到電子補(bǔ)充，繼而讓自己變成4價(jià)釩離子溶液的過程。

當(dāng)放電結(jié)束，兩者的狀態(tài)就變成了這樣：

（圖片來源：作者自制）

到這里，我們還可以使用彈簧來輔助我們理解釩電池。充滿電的釩電池就像一個(gè)被充分拉開的彈簧。

（圖片來源：作者自制）

而一個(gè)放電結(jié)束的釩電池，就像彈簧回歸本態(tài)。

（圖片來源：作者自制）

釩電池是咋充電的？用彈簧輔助想象釩電池放電過程后，它的充電過程也就容易理解了，它類似于使用外部能量將“彈簧”再次拉開的過程。

已失去4個(gè)電子的4價(jià)釩離子，還能忍痛割愛，再失去一個(gè)電子，但需要付出代價(jià)，這個(gè)代價(jià)就是能量，也就是外部源源不斷的電力輸入。

在電場力的作用下，4價(jià)釩離子被迫再失去一個(gè)電子，繼而變成5價(jià)釩離子。由于電荷不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，所以4價(jià)釩離子失去的那個(gè)電子需要有一個(gè)去處，也就是需要有一個(gè)能承載的地方，這便是3價(jià)釩離子溶液。當(dāng)3價(jià)釩離子不斷得到電子后，又從3價(jià)變成了2價(jià)。于是，當(dāng)充電結(jié)束后，它們再次變成這樣：

（圖片來源：作者自制）

以上就是釩電池充放電的大概原理。需要注意的是，為了便于說原理，我們其實(shí)在講述中忽略了一個(gè)極為重要的細(xì)節(jié)。

忘了電荷守恒！

前面說了，釩電池的放電過程是這樣的：在正極溶液中，5價(jià)釩離子源源不斷獲得電子補(bǔ)充，繼而讓自己陸續(xù)變成4價(jià)釩離子。

可大家細(xì)想一下，這樣的場景能實(shí)現(xiàn)嗎？幾乎不可能。因?yàn)?，如果你只是單純地往一大桶溶液中源源不斷地輸入電子，那么這桶溶液就會(huì)帶上大量靜電，輸入的電子越多，靜電就越強(qiáng)，最終強(qiáng)到無法實(shí)現(xiàn)。

故，根據(jù)電荷守恒，正極溶液要想保持電中性的話，只有一條路可走，即：每得到一個(gè)帶負(fù)電荷的電子，就需要同時(shí)讓一個(gè)正電荷也進(jìn)入家門，正負(fù)相抵，溶液呈中性。

這個(gè)正電荷從哪里來呢？只能從負(fù)極溶液中來。原因是在放電過程中，正極溶液是得到電子的一方，而負(fù)極溶液是失去電子的一方。那么同樣還是根據(jù)電荷守恒，負(fù)極溶液不可能只是單純地輸出電子，否則它也會(huì)帶上大量靜電，因此，其在輸出電子的同時(shí)，也必須輸出等量的正電荷。

總結(jié)起來，釩電池的放電過程就是：負(fù)極溶液同時(shí)向正極溶液提供等量的電子和正電荷。

而充電過程則相反：正極溶液同時(shí)向負(fù)極溶液提供等量的電子和正電荷。

這里又多出一個(gè)問題，這個(gè)正電荷是什么？

它其實(shí)就是溶液中的氫離子，或者說質(zhì)子。氫只有一個(gè)電子，其失去一個(gè)電子后，本質(zhì)上就是一個(gè)帶正電荷的質(zhì)子。

因此，現(xiàn)實(shí)中的全釩液流電池，正極溶液和負(fù)極溶液實(shí)際上是挨在一起的，只不過兩者被一層質(zhì)子交換膜隔開了而已。這層質(zhì)子交換膜只允許質(zhì)子來回穿梭，其他物質(zhì)則不被允許通行。

以充電為例，充電時(shí)，正極溶液中的4價(jià)釩離子失去1個(gè)電子變成了5價(jià)釩離子，失去的那個(gè)電子走外部電路進(jìn)入負(fù)極溶液，而氫離子（質(zhì)子）則穿過質(zhì)子交換膜進(jìn)入負(fù)極溶液。放電時(shí)，過程則相反。

知曉了釩電池充放電的原理后，想必大家現(xiàn)在對(duì)其有哪些優(yōu)勢更感興趣，關(guān)注科普中國，了解更多釩電池的故事。

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