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世界今热点：可存80万度电的“超级电池”来了，它是怎样运行的？

来源：科普中国

出品：科普中国


(资料图)

制作：寒木钓萌

监制：中国科普博览

大连建成了一个“超级电池”，一期工程现已进入并网调试最后阶段，预计10月中旬正式投入使用。目前一次可存入40万度电，可供20万居民使用一天。待工程全部完工后，4小时内可存入80万度电。

这个“超级电池”可不是由大量锂电池堆积而成的，它是另一种电池——全钒液流电池，简称钒电池。今天，咱们就来好好说说它是怎么充放电的。

三张图认识钒

钒元素大家比较陌生，但在元素周期表上，它与大家熟知的钛元素是邻居，距离铁元素也不是那么远，中间只隔着两个小区。

钒在元素周期表中的位置

（图片来源：Siriudie）

钒的原子序数为23，符号为V，是一种坚硬、银灰色、有延展性的过渡金属。

纯度为99.95%钒方棒

（图片来源：eigene Aufnahme）

“灰头土脸”的纯钒并不好看，但它各种价态的溶液却是十分艳丽。

不同价态的钒溶液

（图片来源：Hyung Kim）

价态是关键

关于钒的各种价态，我们必须展开讲讲。

化合物中，失去电子的一方，或者说给出电子的一方为正价，而获得电子的则为负价。

例如二氧化碳CO2,碳因为失去了4个电子，所以其价态为正4价，写作C4+。再如一氧化碳CO，此时的碳只给出了2个电子，所以其价态为正2价，写作C2+。

之所以要说价态，是因为不同价态的钒离子之间存在的电位差是其能作为电池的原因。举个例子，正2价钒离子和正5价钒离子，它们的电位差为1.259伏。而我们常见的5号电池，其正极和负极之间的电位差也通常不过为1.5V或者1.2V。

存在着电位差，就存在着化学能。正如存在着高度差，就存在着重力势能。

比如说，上下两个水库，高度差为1259米，此时你第一个想到的是什么呢？必然是能量的可释放以及可存储，这就是抽水蓄能电站。

化学能和重力势能，名字不一样，但它们蕴含的能量经过转化后，本质上并无不同。

因此，当两大桶溶液存在电位差时，两者就可以经过转化释放其中的能量，这就构成了电池。此时，两桶溶液分别就是电池的正极和负极。

钒电池是咋放电的？

为便于大家形象地理解钒电池的放电原理，可以想象这样一个画面：

在一个垂直悬崖上，一上一下挂着两大桶溶液，分别是5价钒离子溶液和2价钒离子溶液。

（图片来源：作者自制）

不难看出，在5价钒离子溶液和2价钒离子溶液之间还隔着3价和4价，存在1.259伏的电位差，正如悬崖上存在两个高度相差1259米的水池。

5价钒离子溶液中的钒离子，因为它们都失去了5个电子，所以它们有一种强烈的想获得电子，以便让自己更完整的冲动。问题是，从哪里抢夺电子呢？从弱者身上，也就是下面的2价钒离子溶液。

故，钒电池源源不断的放电过程，其实就是下方的2价钒离子溶液不断失去电子，继而让自己变成3价钒离子溶液，同时也是上方的5价钒离子溶液不断得到电子补充，继而让自己变成4价钒离子溶液的过程。

当放电结束，两者的状态就变成了这样：

（图片来源：作者自制）

到这里，我们还可以使用弹簧来辅助我们理解钒电池。充满电的钒电池就像一个被充分拉开的弹簧。

（图片来源：作者自制）

而一个放电结束的钒电池，就像弹簧回归本态。

（图片来源：作者自制）

钒电池是咋充电的？用弹簧辅助想象钒电池放电过程后，它的充电过程也就容易理解了，它类似于使用外部能量将“弹簧”再次拉开的过程。

已失去4个电子的4价钒离子，还能忍痛割爱，再失去一个电子，但需要付出代价，这个代价就是能量，也就是外部源源不断的电力输入。

在电场力的作用下，4价钒离子被迫再失去一个电子，继而变成5价钒离子。由于电荷不会凭空产生，也不会凭空消失，所以4价钒离子失去的那个电子需要有一个去处，也就是需要有一个能承载的地方，这便是3价钒离子溶液。当3价钒离子不断得到电子后，又从3价变成了2价。于是，当充电结束后，它们再次变成这样：

（图片来源：作者自制）

以上就是钒电池充放电的大概原理。需要注意的是，为了便于说原理，我们其实在讲述中忽略了一个极为重要的细节。

忘了电荷守恒！

前面说了，钒电池的放电过程是这样的：在正极溶液中，5价钒离子源源不断获得电子补充，继而让自己陆续变成4价钒离子。

可大家细想一下，这样的场景能实现吗？几乎不可能。因为，如果你只是单纯地往一大桶溶液中源源不断地输入电子，那么这桶溶液就会带上大量静电，输入的电子越多，静电就越强，最终强到无法实现。

故，根据电荷守恒，正极溶液要想保持电中性的话，只有一条路可走，即：每得到一个带负电荷的电子，就需要同时让一个正电荷也进入家门，正负相抵，溶液呈中性。

这个正电荷从哪里来呢？只能从负极溶液中来。原因是在放电过程中，正极溶液是得到电子的一方，而负极溶液是失去电子的一方。那么同样还是根据电荷守恒，负极溶液不可能只是单纯地输出电子，否则它也会带上大量静电，因此，其在输出电子的同时，也必须输出等量的正电荷。

总结起来，钒电池的放电过程就是：负极溶液同时向正极溶液提供等量的电子和正电荷。

而充电过程则相反：正极溶液同时向负极溶液提供等量的电子和正电荷。

这里又多出一个问题，这个正电荷是什么？

它其实就是溶液中的氢离子，或者说质子。氢只有一个电子，其失去一个电子后，本质上就是一个带正电荷的质子。

因此，现实中的全钒液流电池，正极溶液和负极溶液实际上是挨在一起的，只不过两者被一层质子交换膜隔开了而已。这层质子交换膜只允许质子来回穿梭，其他物质则不被允许通行。

以充电为例，充电时，正极溶液中的4价钒离子失去1个电子变成了5价钒离子，失去的那个电子走外部电路进入负极溶液，而氢离子（质子）则穿过质子交换膜进入负极溶液。放电时，过程则相反。

知晓了钒电池充放电的原理后，想必大家现在对其有哪些优势更感兴趣，关注科普中国，了解更多钒电池的故事。

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。

关键词： 离子溶液 源源不断 放电过程

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