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可存80万度电的“超级电池”来了,它是怎样运行的?

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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。

“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。

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,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+。(注:4+、2+为上角标)

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。

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:

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。

而一个放电结束的钒电池,就像弹簧回归本态。

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:

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。

出品:科普中国

制作:寒木钓萌

监制:中国科普博览

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