什麼是液流電池？
電池是我們每個人都不陌生的一類儲存並提供能源的裝置，從一次性使用的乾電池到汽車上的鉛酸電池、電腦和手機上的鋰離子電池等可反覆充放電的蓄電池。電池保證了我們在遠離電網時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)。那麼液流電池是怎樣的一種電池，與傳統的電池相比又有哪些優點？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說起。
隨著煤、石油、天然氣等化石燃料的儲量逐漸減少，以及燃燒化石燃料造成的溫室效應問題日趨嚴重，各國政府都把開發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技術的進步，太陽能、風能等可再生能源在電力供應中所佔的比例越來越高。
然而與傳統的火力發電相比，這些新能源形式有一個內在缺陷，那就是它們的正常運轉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住宅區供電，白天居民大多不在家，太陽能電池產生的電能供大於求，白白浪費掉；到了晚上居民下班回家，用電量激增，太陽能電池此時卻又無法正常供電。
為了解決新能源不穩定的問題，我們通常需要提供一定的儲能系統與之配合，在發電能力超過實際需要時將多餘的電能轉化為其它形式的能量儲存起來，而發電能力不能滿足需要的時候又可以將儲存的能量重新轉化為電能。可以說，開發與新能源配套的儲能技術的重要性並不亞於開發新能源技術本身。
那麼如何將多餘的電力供應儲存起來？我們可以通過修建抽水蓄能電站的辦法，在電能過剩的時候用多餘的電能將水從低處移動到高處，也就是將電能轉化為水的重力勢能，當供電能力不足時再讓水從高處落下將水的勢能轉化為電能。我們還可以用多餘的電能壓縮空氣，等到電能供不應求時釋放被壓縮的空氣，使其推動發電機發電。
不過這些技術雖然可以將電能轉化為其它形式的能量儲存起來，在實際應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於一定的地形。因此人們更希望用電池來完成這一任務，也就是將電能轉化為化學能儲存起來。尤其是可以反覆充放電的二次電池，也就是俗稱的蓄電池，更是輔助新能源的不二選擇。
然而實踐起來人們卻發現，「老革命」遇到了新問題，許多業已成熟的電池技術卻力不從心了。那麼究竟是為什麼呢？這要從常見電池的結構說起。
以經常用於汽車的鉛酸蓄電池為例，它的基本結構是將二氧化鉛和金屬鉛製成的電極插入到稀硫酸溶液中。當電路接通時，正極的二氧化鉛得到電子變成硫酸鉛，而負極的鉛失去電子，也變成硫酸鉛。當鉛和二氧化鉛的固體都變成硫酸鉛後，我們就會發現，電池沒電了。
如果這個時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生化學反應並釋放出電能，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（乾電池）等一次性的電池，構成正負電極的材料也不僅僅是作為導體傳遞電流，而是同時參與電化學反應。也就是說，固體電極構成了電池儲能的載體。這樣的好處是很明顯的：電池可以被設計得小巧緊湊，非常適合於「寸土寸金」的攜帶型設備。
然而將傳統的蓄電池應用於新能源的儲能卻遇到了一個很大的麻煩：新能源供電的不穩定性意味著與之配套的儲能設備需要能夠很靈活地調節要儲存能量的總量以及提供能量的功率。然而對於依靠固體電極的傳統電池，一塊電池能夠儲存多少電能，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被固定下來，使用者很難再去根據需要進行調節。
那麼如何克服這個缺陷？解決的辦法就是讓固體電極只負責傳遞電流，儲存電能的任務改由液態的反應物來承擔，這也就是液流電池的基本原理。例如目前發展較為成熟的全釩液流電池，其基本構造是一個被選擇性滲透膜隔開的腔體，腔體的兩側各有一個固體電極。如果我們在腔體的兩側分別加入含有兩種不同釩離子的酸溶液，那麼在電池放電時，兩級分別會發生這樣的反應：
總的結果是兩種含有釩的化合物變成了另外兩種釩的化合物，而反應中產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，上面這個反應又反過來進行。
無論是充電還是放電，只要反應進行完全，那麼能量的轉化也就宣告結束。但與傳統電池不同的是，對於液流電池，我們可以用泵將已經轉化好的溶液從電池中抽走，再將尚未反應過的溶液注入到電池中，那麼充電或者放電過程就可以繼續進行。這種電池的能量轉化不再依賴於固體電極，而是流動的液體，因此得名液流電池。
相比於使用固體電極的傳統電池，液流電池有一個明顯的好處就是賦予了使用者更大的自由來調節電池的性能。如果我們需要增加電池的儲能容量，不需要改變電池的構造，只要把更多存有釩離子溶液的儲料罐與電池相連，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，讓單位時間內有更多的溶液發生化學反應。使用上的靈活性，讓液流電池能夠更好地發揮能量存儲的功能。
與傳統蓄電池相比，液流電池還有一個顯著的優點就是電池變得更加容易維護。在前面我們提到，傳統的蓄電池構成固體電極的材料總是在放電時轉化為另一種物質，而充電時又變回到原先的物質，例如鉛酸蓄電池中鉛與硫酸鉛之間的轉化、鎳鎘電池中金屬鎘與氫氧化鎘之間的轉化等等。然而在實際操作中所發生的往往並不像寫在化學反應式中的那麼簡單。例如構成電極的固體材料經過一個放電-充電循環，雖然回到了最初的化學組成，但是它的結構可能已經發生了改變，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，化學反應在溶液中進行，固體電極只是負責傳輸電流，較少受到各種副反應的干擾。因此，液流電池往往可以比傳統的蓄電池經受更多的充放電循環而保持性能基本不受影響。
說了這麼多液流電池的優點，我們也要談談它的局限性。由於不再像傳統蓄電池那樣將能量儲存在固體材料中，液流電池難以避免的一個缺點是單位質量能夠提供的電能要大打折扣，因為溶液的濃度再高，仍然會有大量的溶劑對於對電能的存儲毫無貢獻。這就好比同樣大小的錢包，一個人將它塞滿了鈔票，另一個人卻除了鈔票還要放進草紙，兩個人一起上街，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]。即便液流電池並不用於攜帶型設備，人們仍然希望它們越小越好。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。
當然，有缺點並不可怕，關鍵是我們如何通過技術的進步來逐漸克服這些缺點。事實上，液流電池技術實際上早在上世紀70年代就已經出現，但直到近些年來人們才意識到它的價值。目前關於液流電池的研究已經成為相當熱門的一個領域。相信在不久的將來，這種獨特的電池技術能夠為解決人類的能源問題發揮更大的作用。
參考文獻
[1] Bruce Dunn, Haresh Kamath, Jean-Marie Tarascon, 「Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices」, Science, 2011, 334, 928
（作者：魏昕宇）
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