大連建成了一個“超級電池”，一期工程現已進入并網調試最後階段，預計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。待工程全部完工後，4小時内可存入80萬度電。

這個“超級電池”可不是由大量锂電池堆積而成的，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麼充放電的。

三張圖認識釩

釩元素大家比較陌生，但在元素周期表上，它與大家熟知的钛元素是鄰居，距離鐵元素也不是那麼遠，中間隻隔着兩個小區。

釩在元素周期表中的位置

釩的原子序數為23，符号為V，是一種堅硬、銀灰色、有延展性的過渡金屬。

純度為99.95%釩方棒

“灰頭土臉”的純釩并不好看，但它各種價态的溶液卻是十分豔麗。

不同價态的釩溶液

價态是關鍵

關于釩的各種價态，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，而獲得電子的則為負價。

例如二氧化碳CO2,碳因為失去了4個電子，所以其價态為正4價，寫作C4 。再如一氧化碳CO，此時的碳隻給出了2個電子，所以其價态為正2價，寫作C2 。

之所以要說價态，是因為不同價态的釩離子之間存在的電位差是其能作為電池的原因。舉個例子，正2價釩離子和正5價釩離子，它們的電位差為1.259伏。而我們常見的5号電池，其正極和負極之間的電位差也通常不過為1.5V或者1.2V。

存在着電位差，就存在着化學能。正如存在着高度差，就存在着重力勢能。

比如說，上下兩個水庫，高度差為1259米，此時你第一個想到的是什麼呢？必然是能量的可釋放以及可存儲，這就是抽水蓄能電站。

化學能和重力勢能，名字不一樣，但它們蘊含的能量經過轉化後，本質上并無不同。

因此，當兩大桶溶液存在電位差時，兩者就可以經過轉化釋放其中的能量，這就構成了電池。此時，兩桶溶液分别就是電池的正極和負極。

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，可以想象這樣一個畫面：

在一個垂直懸崖上，一上一下挂着兩大桶溶液，分别是5價釩離子溶液和2價釩離子溶液。

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

5價釩離子溶液中的釩離子，因為它們都失去了5個電子，所以它們有一種強烈的想獲得電子，以便讓自己更完整的沖動。問題是，從哪裡搶奪電子呢？從弱者身上，也就是下面的2價釩離子溶液。

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

當放電結束，兩者的狀态就變成了這樣：

到這裡，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被充分拉開的彈簧。

而一個放電結束的釩電池，就像彈簧回歸本态。

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

已失去4個電子的4價釩離子，還能忍痛割愛，再失去一個電子，但需要付出代價，這個代價就是能量，也就是外部源源不斷的電力輸入。

在電場力的作用下，4價釩離子被迫再失去一個電子，繼而變成5價釩離子。由于電荷不會憑空産生，也不會憑空消失，所以4價釩離子失去的那個電子需要有一個去處，也就是需要有一個能承載的地方，這便是3價釩離子溶液。當3價釩離子不斷得到電子後，又從3價變成了2價。于是，當充電結束後，它們再次變成這樣：

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，我們其實在講述中忽略了一個極為重要的細節。

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價釩離子源源不斷獲得電子補充，繼而讓自己陸續變成4價釩離子。

可大家細想一下，這樣的場景能實現嗎？幾乎不可能。因為，如果你隻是單純地往一大桶溶液中源源不斷地輸入電子，那麼這桶溶液就會帶上大量靜電，輸入的電子越多，靜電就越強，最終強到無法實現。

故，根據電荷守恒，正極溶液要想保持電中性的話，隻有一條路可走，即：每得到一個帶負電荷的電子，就需要同時讓一個正電荷也進入家門，正負相抵，溶液呈中性。

這個正電荷從哪裡來呢？隻能從負極溶液中來。原因是在放電過程中，正極溶液是得到電子的一方，而負極溶液是失去電子的一方。那麼同樣還是根據電荷守恒，負極溶液不可能隻是單純地輸出電子，否則它也會帶上大量靜電，因此，其在輸出電子的同時，也必須輸出等量的正電荷。

總結起來，釩電池的放電過程就是：負極溶液同時向正極溶液提供等量的電子和正電荷。

而充電過程則相反：正極溶液同時向負極溶液提供等量的電子和正電荷。

這裡又多出一個問題，這個正電荷是什麼？

它其實就是溶液中的氫離子，或者說質子。氫隻有一個電子，其失去一個電子後，本質上就是一個帶正電荷的質子。

因此，現實中的全釩液流電池，正極溶液和負極溶液實際上是挨在一起的，隻不過兩者被一層質子交換膜隔開了而已。這層質子交換膜隻允許質子來回穿梭，其他物質則不被允許通行。

以充電為例，充電時，正極溶液中的4價釩離子失去1個電子變成了5價釩離子，失去的那個電子走外部電路進入負極溶液，而氫離子（質子）則穿過質子交換膜進入負極溶液。放電時，過程則相反。

知曉了釩電池充放電的原理後，想必大家現在對其有哪些優勢更感興趣，關注科普中國，了解更多釩電池的故事。