鲜为人知的钒电池，已走出实验室开始商业应用

出品：科普中国

制作：寒木钓萌

监制：中国科普博览

逐渐活跃起来的钒电池

锂电池家喻户晓，然而另一种30多年前就已出现，却一直默默无闻的电池技术，估计很多人就不了解了，它就是钒电池。

若钒电池就这么一直无声无息下去，倒也没什么，不提也罢。但你知道吗？这些年，这种电池技术在国内越发活跃了起来。

2015年，在全钒液流电池领域，中科院大连化学物理研究所获得了国家技术发明二等奖。

2020年，大连化物所研发出新一代全钒液流电池电堆，成功将电堆总成本降低了40%。

2022年，投资约38亿元，总容量为800兆瓦的大连全钒液流电池储能调峰电站，一期工程已投入商业运行。

看到这里，想必很多人冒出的第一个疑问是：这钒电池还是第一次听说呢，怎么它就开始商业化运用了？看来是该好好认识一下钒以及钒电池了。

钒的凡与不凡

钒元素在周期表中的位置

（图片来源：Siriudie）

在元素周期表中，钒的原子序数为23，符号为V。大家对钒元素很陌生是正常的，因为100多个化学元素，它们的知名度天差地别，而知名度又跟其使用场景的多与少，以及自身是否具有话题性密切相关。

比如铀元素，我们日常生活中使用到的场景极少，但架不住它具备放射性，能被制成原子弹以及核电站使用，这些威力强大却又神秘的应用自然让它极易成为话题焦点，结果自然就广为人知了。还有钛元素，原子序数为22，虽然它跟钒元素相邻，但其知名度却在钒元素之上，因为钛合金的各种表现不同凡响。

不过，可以预知的是，在未来几年，钒的知名度应该是一个逐渐上升的状态。

与它名称中的“凡”字相似，钒本身是一种银灰色的金属，很难引人注目，它一般在工业上用作添加剂，制作诸如钒钢之类的合金，能极大提升各类金属（如铁、铝、钛等）的硬度和耐磨性。它还被广泛用作催化剂和制作涂层材料等。

电解制钒晶体，纯度为99.9%

（图片来源：Boris Lobastov）

钒的各种化合物虽然大都有毒，但是对有些生物有重要作用。比如海洋中许多海藻会以钒元素为基础合成一些必要的酶，有些微生物则会用钒合成固氮酶。钒还可能在某些生物的毒素制造过程中起到了作用，比如著名的毒蘑菇——毒蝇伞，其中的钒含量异乎寻常的高（但钒含量高与毒素之间是否存在联系也还有争议）。

毒蝇伞

（图片来源：JJ Harrison）

如果非要说一些钒让人印象深刻的特点的话，我们就不得不提到它鲜艳多彩的颜色了。在自然界中，钒会与许多其他元素一起构成颜色艳丽的各种矿物，比如钒铅矿就是其中的佼佼者，是许多矿物爱好者的心头好。

钒铅矿

（图片来源：Didier Descouens）

从上到下：氯化钒、五氧化二钒和硫酸钒

（图片来源：atse）

钒电池的早期探索

除了各种矿物的多样化颜色之外，各种价态的钒溶液颜色也各不一样，而钒电池的秘密就藏在这4种颜色的钒溶液中。

不同价态的钒溶液

（图片来源：Hyung Kim）

正2价钒离子和正5价钒离子，它俩之间竟然存在着1.259伏的电位差，看到这里，不知你是否想到了5号电池。

5号电池

（图片来源：Lead holder）

我们日常使用的5号电池，它们的电位差，或者说是电压通常为1.2V或1.5V。

正是因为看到了不同价态的钒溶液之间的电势差有构成电池的能力，早在1933年，一个叫Pissoort的人就开始对钒电池进行探索了，但可惜他没有成功。

后来，人们还是不甘心，1976年，NASA的研究人员也对钒电池进行探索，他还是没有成功。

直到上世纪80年代，澳大利亚化学家Maria Skyllas才对钒电池进行了成功的示范和进一步的开发。

20世纪90年代中期，Maria Skyllas在新南威尔士大学展示钒电池

（图片来源：Maria Skyllas）

虽然钒电池早在30多年前就已出现，但因为其自身的一些缺点，以及当时技术上的不成熟，它默默无闻了多年。

然而现在，由于中国科研人员在技术上取得的一些突破，钒电池在中国的使用最多，规模也最大。

在一次采访中，来自中科院大连化学物理研究所的张华民说：“在全钒液流电池这个领域，我们走在世界领先水平，是别人在追我们。”

需求改变钒电池命运

钒电池有很多优点，其中一个就是寿命长，充电周期大于1.2万次，使用20年以上完全没问题。而大家熟知的锂离子电池，充电周期也就几千次。

但为什么锂离子电池发展得这么好，而钒电池却默默无闻了这么多年？

这涉及到一个能否忍耐的问题，虽然锂离子电池寿命较短，但一部手机，人们一般也就使用四五年，甚至只有三四年。所以锂离子电池的寿命问题在手机上并不是致命的，它是可以忍耐的。

而相同容量的钒电池，其体积是锂离子电池的5倍左右。如果把钒电池用在手机上，其体积将是不可忍耐的。

如果说锂离子电池在过去十几年是适逢其时的话，那么在过去的几十年间里，钒电池就是生不逢时了。

但现在，一切都在改变。由于光伏发电和风电的蓬勃发展，各国对大规模储能的需求越来越强。

在进行大规模储能时，人们对于寿命的要求是极高的，无疑，人们都希望一次几十亿的投资后，储能电站能使用20年甚至30年，而不是使用五六年就报废。

虽然钒电池体积大，但储能电站并非是每天都需要揣到口袋里，或时常需要移动的东西，大一点，重一点都是完全可以忍耐的。

于是，现在的钒电池也算是生逢其时了。

建于大连的全钒液流电池储能调峰电站

（图片来源：大连日报）

建于大连的全钒液流电池储能调峰电站，电堆集装箱区

（图片来源：大连日报）

目前，大连钒电池储能调峰电站一期建设已完成，并接入电网商业化运行。深夜用电低谷时，可存入40万度电，供20万居民一天的生活用电量。待全部建成后，一次可储存80万度电。

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