電池是我們每個(gè)人都不陌生的一類儲(chǔ)存并提供能源的裝置，從一次性使用的干電池到汽車上的鉛酸電池、電腦和手機(jī)上的鋰離子電池等可反復(fù)充放電的蓄電池。電池保證了我們在遠(yuǎn)離電網(wǎng)時(shí)也可以隨心所欲地用電，給生活帶來了極大的便利。不過有一種電池，相信許多朋友比較陌生，它的名字叫液流電池 (flow battery)。那么液流電池是怎樣的一種電池，與傳統(tǒng)的電池相比又有哪些優(yōu)點(diǎn)？要回答這些問題，我們首先要從目前如火如荼的新能源開發(fā)說起。

 

隨著煤、石油、天然氣等化石燃料的儲(chǔ)量逐漸減少，以及燃燒化石燃料造成的溫室效應(yīng)問題日趨嚴(yán)重，各國政府都把開發(fā)利用新能源提到重要的議事日程上來。隨著人們重視程度的提高以及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，太陽能、風(fēng)能等可再生能源在電力供應(yīng)中所占的比例越來越高。

然而與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，這些新能源形式有一個(gè)內(nèi)在缺陷，那就是它們的正常運(yùn)轉(zhuǎn)受到自然條件的限制，造成電能的輸出與用戶的需求往往不能很好地匹配。例如用太陽能給一個(gè)住宅區(qū)供電，白天居民大多不在家，太陽能電池產(chǎn)生的電能供大于求，白白浪費(fèi)掉；到了晚上居民下班回家，用電量激增，太陽能電池此時(shí)卻又無法正常供電。

為了解決新能源不穩(wěn)定的問題，我們通常需要提供一定的儲(chǔ)能系統(tǒng)與之配合，在發(fā)電能力超過實(shí)際需要時(shí)將多余的電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量儲(chǔ)存起來，而發(fā)電能力不能滿足需要的時(shí)候又可以將儲(chǔ)存的能量重新轉(zhuǎn)化為電能?？梢哉f，開發(fā)與新能源配套的儲(chǔ)能技術(shù)的重要性并不亞于開發(fā)新能源技術(shù)本身。

那么如何將多余的電力供應(yīng)儲(chǔ)存起來？我們可以通過修建抽水蓄能電站的辦法，在電能過剩的時(shí)候用多余的電能將水從低處移動(dòng)到高處，也就是將電能轉(zhuǎn)化為水的重力勢能，當(dāng)供電能力不足時(shí)再讓水從高處落下將水的勢能轉(zhuǎn)化為電能。我們還可以用多余的電能壓縮空氣，等到電能供不應(yīng)求時(shí)釋放被壓縮的空氣，使其推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

不過這些技術(shù)雖然可以將電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量儲(chǔ)存起來，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的局限，例如抽水蓄能電站的修建通常必須依賴于一定的地形。因此人們更希望用電池來完成這一任務(wù)，也就是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來。尤其是可以反復(fù)充放電的二次電池，也就是俗稱的蓄電池，更是輔助新能源的不二選擇。

然而實(shí)踐起來人們卻發(fā)現(xiàn)，“老革命”遇到了新問題，許多業(yè)已成熟的電池技術(shù)卻力不從心了。那么究竟是為什么呢？這要從常見電池的結(jié)構(gòu)說起。

以經(jīng)常用于汽車的鉛酸蓄電池為例，它的基本結(jié)構(gòu)是將二氧化鉛和金屬鉛制成的電極插入到稀硫酸溶液中。當(dāng)電路接通時(shí)，正極的二氧化鉛得到電子變成硫酸鉛，而負(fù)極的鉛失去電子，也變成硫酸鉛。當(dāng)鉛和二氧化鉛的固體都變成硫酸鉛后，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，電池沒電了。

如果這個(gè)時(shí)候我們將兩邊的硫酸鉛分別與外加電源相連，在電流的作用下，連接電源正極的硫酸鉛失去電子變成二氧化鉛，而連接電源負(fù)極的硫酸鉛得到電子變成鉛。如果將外加電源撤去，鉛與二氧化鉛又可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放出電能，也就是說，電池的電量又重新被充滿了。

除了鉛酸電池，常見的鎳鎘電池、鋰離子電池等蓄電池和碳鋅電池（干電池）等一次性的電池，構(gòu)成正負(fù)電極的材料也不僅僅是作為導(dǎo)體傳遞電流，而是同時(shí)參與電化學(xué)反應(yīng)。也就是說，固體電極構(gòu)成了電池儲(chǔ)能的載體。這樣的好處是很明顯的：電池可以被設(shè)計(jì)得小巧緊湊，非常適合于“寸土寸金”的便攜式設(shè)備。

然而將傳統(tǒng)的蓄電池應(yīng)用于新能源的儲(chǔ)能卻遇到了一個(gè)很大的麻煩：新能源供電的不穩(wěn)定性意味著與之配套的儲(chǔ)能設(shè)備需要能夠很靈活地調(diào)節(jié)要儲(chǔ)存能量的總量以及提供能量的功率。然而對(duì)于依靠固體電極的傳統(tǒng)電池，一塊電池能夠儲(chǔ)存多少電能，這些電能能夠以多大的功率被釋放出來，在它被封裝好離開流水線的那一刻就已經(jīng)被固定下來，使用者很難再去根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

那么如何克服這個(gè)缺陷？解決的辦法就是讓固體電極只負(fù)責(zé)傳遞電流，儲(chǔ)存電能的任務(wù)改由液態(tài)的反應(yīng)物來承擔(dān)，這也就是液流電池的基本原理。例如目前發(fā)展較為成熟的全釩液流電池，其基本構(gòu)造是一個(gè)被選擇性滲透膜隔開的腔體，腔體的兩側(cè)各有一個(gè)固體電極。如果我們在腔體的兩側(cè)分別加入含有兩種不同釩離子的酸溶液，那么在電池放電時(shí)，兩級(jí)分別會(huì)發(fā)生這樣的反應(yīng)：

正極：VO2+ +e- +2H+ → VO2+ + H2O

負(fù)極：V2+ → V3+ + e-

總的結(jié)果是兩種含有釩的化合物變成了另外兩種釩的化合物，而反應(yīng)中產(chǎn)生的電能就通過電極源源不斷地輸出到外部電路中。而電池充電時(shí)，上面這個(gè)反應(yīng)又反過來進(jìn)行。

 

 

 

液流電池的基本原理：在電池內(nèi)部，正負(fù)極的反應(yīng)物被半透膜隔開。無論充電還是放電，所有的化學(xué)反應(yīng)都在溶液中進(jìn)行，反應(yīng)結(jié)束后溶液可以通過泵從電池中抽走，同時(shí)新的待反應(yīng)的溶液從儲(chǔ)料罐中被注入到電池內(nèi)部。圖片引自參考文獻(xiàn)[1]

 

無論是充電還是放電，只要反應(yīng)進(jìn)行完全，那么能量的轉(zhuǎn)化也就宣告結(jié)束。但與傳統(tǒng)電池不同的是，對(duì)于液流電池，我們可以用泵將已經(jīng)轉(zhuǎn)化好的溶液從電池中抽走，再將尚未反應(yīng)過的溶液注入到電池中，那么充電或者放電過程就可以繼續(xù)進(jìn)行。這種電池的能量轉(zhuǎn)化不再依賴于固體電極，而是流動(dòng)的液體，因此得名液流電池。

 

相比于使用固體電極的傳統(tǒng)電池，液流電池有一個(gè)明顯的好處就是賦予了使用者更大的自由來調(diào)節(jié)電池的性能。如果我們需要增加電池的儲(chǔ)能容量，不需要改變電池的構(gòu)造，只要把更多存有釩離子溶液的儲(chǔ)料罐與電池相連，或者提高溶液中釩離子的濃度就可以了。如果需要提高電池的輸出功率呢？也不難做到，只需要將幾個(gè)相同的電池連接起來，增大兩種溶液互相接觸的面積，讓單位時(shí)間內(nèi)有更多的溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。使用上的靈活性，讓液流電池能夠更好地發(fā)揮能量存儲(chǔ)的功能。

 

與傳統(tǒng)蓄電池相比，液流電池還有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)就是電池變得更加容易維護(hù)。在前面我們提到，傳統(tǒng)的蓄電池構(gòu)成固體電極的材料總是在放電時(shí)轉(zhuǎn)化為另一種物質(zhì)，而充電時(shí)又變回到原先的物質(zhì)，例如鉛酸蓄電池中鉛與硫酸鉛之間的轉(zhuǎn)化、鎳鎘電池中金屬鎘與氫氧化鎘之間的轉(zhuǎn)化等等。然而在實(shí)際操作中所發(fā)生的往往并不像寫在化學(xué)反應(yīng)式中的那么簡單。例如構(gòu)成電極的固體材料經(jīng)過一個(gè)放電-充電循環(huán)，雖然回到了最初的化學(xué)組成，但是它的結(jié)構(gòu)可能已經(jīng)發(fā)生了改變，而這就不可避免地影響到電池的性能，甚至有可能造成安全事故。相反，在液流電池中，化學(xué)反應(yīng)在溶液中進(jìn)行，固體電極只是負(fù)責(zé)傳輸電流，較少受到各種副反應(yīng)的干擾。因此，液流電池往往可以比傳統(tǒng)的蓄電池經(jīng)受更多的充放電循環(huán)而保持性能基本不受影響。

說了這么多液流電池的優(yōu)點(diǎn)，我們也要談?wù)勊木窒扌?。由于不再像傳統(tǒng)蓄電池那樣將能量儲(chǔ)存在固體材料中，液流電池難以避免的一個(gè)缺點(diǎn)是單位質(zhì)量能夠提供的電能要大打折扣，因?yàn)槿芤旱臐舛仍俑撸匀粫?huì)有大量的溶劑對(duì)于對(duì)電能的存儲(chǔ)毫無貢獻(xiàn)。這就好比同樣大小的錢包，一個(gè)人將它塞滿了鈔票，另一個(gè)人卻除了鈔票還要放進(jìn)草紙，兩個(gè)人一起上街，誰能買到更多的東西自然不言而喻。例如前面提及的全釩液流電池，單位質(zhì)量能提供的能量只有鋰離子電池的20%左右[1]。即便液流電池并不用于便攜式設(shè)備，人們?nèi)匀幌Ｍ鼈冊叫≡胶?。另外，如何通過使用更為低廉的材料降低液流電池的成本也是目前研究人員努力的一大方向。

當(dāng)然，有缺點(diǎn)并不可怕，關(guān)鍵是我們?nèi)绾瓮ㄟ^技術(shù)的進(jìn)步來逐漸克服這些缺點(diǎn)。事實(shí)上，液流電池技術(shù)實(shí)際上早在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但直到近些年來人們才意識(shí)到它的價(jià)值。目前關(guān)于液流電池的研究已經(jīng)成為相當(dāng)熱門的一個(gè)領(lǐng)域。相信在不久的將來，這種獨(dú)特的電池技術(shù)能夠?yàn)榻鉀Q人類的能源問題發(fā)揮更大的作用。