什么是液流电池？
一名记者走过日本的一个液流电池装置。
随着煤、石油、天然气等化石燃料的储量逐渐减少，燃烧化石燃料导致的温室效应越来越严重，世界各国政府都把新能源的开发利用提上了重要日程。随着人们关注度的提高和相关技术的进步，太阳能、风能等可再生能源在电力供应中的比重越来越大。
然而，与传统的火力发电相比，这些新能源形式有一个固有的缺陷，即其正常运行受到自然条件的限制，往往导致电能的输出与用户的需求不匹配。比如用太阳能给一个居民区供电，白天大部分居民不在家，太阳能电池发出的电供大于求，浪费了；晚上居民下班回家，用电量急剧增加，但此时太阳能电池无法正常供电。
为了解决新能源不稳定的问题，我们通常需要提供一定的储能系统与之配合，当发电能力超过实际需要时，可以将多余的电能转化为其他形式的能量进行储存，当发电能力不能满足需要时，可以将储存的能量再次转化为电能。可以说，支撑新能源的储能技术的发展和新能源技术本身的发展一样重要。
那么如何储存多余的电源呢？通过建设抽水蓄能电站，我们可以用多余的电能把水从低的地方移到高的地方，也就是把电能转化为水的重力势能，然后在供电能力不足的时候让水从高处落下，把水的势能转化为电能。我们还可以用多余的电能压缩空气，在电能供应不足时释放压缩空气，使其带动发电机发电。
然而，尽管这些技术可以将电能转化为其他形式的能量进行存储，但在实际应用中仍然存在一些限制。比如抽水蓄能电站的建设，通常依赖于一定的地形。因此，人们更喜欢用电池来完成这项任务，即把电能转化为化学能并储存起来。特别是可以反复充放电的二次电池，也就是俗称的蓄电池，是辅助新能源的最佳选择。
但在实践中，人们发现“老革命”遇到了新的问题，但很多成熟的电池技术都有不足。那么原因是什么呢？这要从常见电池的结构说起。
以汽车上经常使用的铅酸电池为例。其基本结构是将二氧化铅和金属铅制成的电极插入稀硫酸溶液中。当电路接通时，正极的二氧化铅获得电子，变成硫酸铅，负极的铅失去电子，变成硫酸铅。当铅和二氧化铅的固体变成硫酸铅时，我们会发现电池没电了。
如果此时我们把两边的硫酸铅接到外接电源上，在电流的作用下，电源正极接的硫酸铅失去电子，变成二氧化铅，而电源负极接的硫酸铅获得电子，变成铅。如果去掉外接电源，铅和二氧化铅可以发生化学反应，释放电能，也就是电池又充满电了。
除了铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等常见电池、碳锌电池(干电池)等一次性电池外，构成正负极的材料除了作为导体传输电流外，还参与电化学反应。换句话说，固体电极构成了电池储能的载体。这个好处很明显:电池可以设计的很小很紧凑，非常适合“地和钱”的便携设备。
然而，将传统蓄电池应用于新能源的储能却遇到了很大的麻烦:新能源供给的不稳定性意味着配套的储能设备需要能够灵活调节要储存的能量总量和提供能量的功率。但是对于传统的依靠固体电极的电池来说，电池能储存多少电量，能释放多少电量，在包装出厂的那一刻就已经固定了，用户很难按需调整。
那么如何克服这个缺陷呢？解决方法是固体电极只负责传输电流，储存电能的任务由液体反应物承担，这是液流电池的基本原理。比如目前已经完全开发出来的全钒氧化还原液流电池，基本结构是由选择性渗透膜隔开的腔体，腔体两侧有固体电极。如果我们在空腔两侧加入含有两种不同钒离子的酸性溶液，那么当电池放电时，两个阶段会分别发生这样的反应:
总的结果是含钒的两种化合物变成钒的另外两种化合物，反应产生的电能通过电极不断输出到外电路。当电池充电时，上述反应是相反的。
液流电池的基本原理:在电池内部，阳极和阴极的反应物被半透膜隔开。无论充电还是放电，所有的化学反应都是在溶液中进行的。反应结束后，可通过泵将溶液从电池中抽出，并将待反应的新溶液从储罐中注入电池中。图片引自参考文献[1]
无论是充电还是放电，只要反应完全，能量转换就告一段落。但与传统电池不同的是，对于液流电池，我们可以将转化后的溶液从电池中抽出，然后将未反应的溶液注入电池中，这样充电或放电过程就可以继续进行。这种电池的能量转换不再依靠固体电极，而是依靠流动的液体，因此得名液流电池。
与使用固体电极的传统电池相比，液流电池有一个明显的优势，即它给用户更多的自由来调节电池的性能。如果需要增加电池的储能容量，不需要改变电池的结构，只需要连接更多的装有钒离子溶液的储罐或者增加溶液中钒离子的浓度即可。如果需要增加电池的输出功率怎么办？做起来并不难，只需要把几块一模一样的电池连接起来，增加两种溶液的接触面积，让更多的溶液在单位时间内发生化学反应。使用的灵活性使液流电池能更好地发挥其储能功能。
结合太阳能电池的全钒液流电池
与传统电池相比，液流电池还有一个显著的优点，就是电池变得更容易维护。前面我们提到过，构成传统蓄电池固体电极的材料在放电时总是转化为另一种物质，充电时又回到原来的物质，比如铅酸蓄电池中的铅和硫酸铅之间的转化，镍镉电池中的金属镉和氢氧化镉之间的转化。但是，实际操作中发生的事情往往不像化学反应式中写的那么简单。例如，在一次充放电循环后，构成电极的固体材料恢复到原来的化学成分，但其结构可能发生了变化，这必然会影响电池的性能，甚至可能引发安全事故。相反，在液流电池中，化学反应是在溶液中进行的，固体电极只负责传输电流，受各种副反应的干扰较小。因此，液流电池往往能承受比传统电池更多的充放电循环，并保持其性能基本不受影响。
说了这么多液流电池的优点，也要说说它的局限性。由于能量不再像传统蓄电池那样储存在固体材料中，液流电池不可避免的一个缺点就是单位质量的电能会大大降低，因为无论溶液的浓度有多高，仍然会有大量的溶剂对电能的储存没有贡献。就像一个大小一样的钱包。一个人往里面装钞票，另一个人除了钞票还放卫生纸。两个人一起逛街，谁买的东西多，不言而喻。比如上面提到的全钒液流电池，单位质量的锂离子电池只能提供20%左右的能量[1]。即使液流电池不用在便携设备上，人们还是希望它越小越好。此外，如何使用更便宜的材料来降低液流电池的成本也是目前研究人员的一大方向。
当然，有缺点并不可怕。关键是我们如何通过技术进步来逐步克服这些缺点。其实液流电池技术其实早在20世纪70年代就出现了，只是直到近几年人们才意识到它的价值。目前，液流电池的研究已经成为一个非常热门的领域。相信在不久的将来，这种独特的电池技术可以在解决人类能源问题上发挥更大的作用。
参考
[1] Bruce Dunn，Haresh Kamath，Jean-Marie Tarascon，“用于电网的电能存储:电池的选择”，《科学》，2011，334，928
(作者:魏新雨)