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。

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