液态氢是可再生能源吗

电池是我们每个人都不陌生的一类储存并提供能源的装置，从一次性使用的干电池到汽车上的铅酸电池、电脑和手机上的锂离子电池等可反复充放电的蓄电池。电池保证了我们在远离电网时也可以随心所欲地用电，给生活带来了极大的便利。不过有一种电池，相信许多朋友比较陌生，它的名字叫液流电池 (flow battery)。那么液流电池是怎样的一种电池，与传统的电池相比又有哪些优点？要回答这些问题，我们首先要从目前如火如荼的新能源开发说起。

一位记者走过位于日本的一台液流电池装置

随着煤、石油、天然气等化石燃料的储量逐渐减少，以及燃烧化石燃料造成的温室效应问题日趋严重，各国政府都把开发利用新能源提到重要的议事日程上来。随着人们重视程度的提高以及相关技术的进步，太阳能、风能等可再生能源在电力供应中所占的比例越来越高。

然而与传统的火力发电相比，这些新能源形式有一个内在缺陷，那就是它们的正常运转受到自然条件的限制，造成电能的输出与用户的需求往往不能很好地匹配。例如用太阳能给一个住宅区供电，白天居民大多不在家，太阳能电池产生的电能供大于求，白白浪费掉；到了晚上居民下班回家，用电量激增，太阳能电池此时却又无法正常供电。

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，在发电能力超过实际需要时将多余的电能转化为其它形式的能量储存起来，而发电能力不能满足需要的时候又可以将储存的能量重新转化为电能。可以说，开发与新能源配套的储能技术的重要性并不亚于开发新能源技术本身。

那么如何将多余的电力供应储存起来？我们可以通过修建抽水蓄能电站的办法，在电能过剩的时候用多余的电能将水从低处移动到高处，也就是将电能转化为水的重力势能，当供电能力不足时再让水从高处落下将水的势能转化为电能。我们还可以用多余的电能压缩空气，等到电能供不应求时释放被压缩的空气，使其推动发电机发电。

不过这些技术虽然可以将电能转化为其它形式的能量储存起来，在实际应用中仍然存在一定的局限，例如抽水蓄能电站的修建通常必须依赖于一定的地形。因此人们更希望用电池来完成这一任务，也就是将电能转化为化学能储存起来。尤其是可以反复充放电的二次电池，也就是俗称的蓄电池，更是辅助新能源的不二选择。

然而实践起来人们却发现，“老革命”遇到了新问题，许多业已成熟的电池技术却力不从心了。那么究竟是为什么呢？这要从常见电池的结构说起。

以经常用于汽车的铅酸蓄电池为例，它的基本结构是将二氧化铅和金属铅制成的电极插入到稀硫酸溶液中。当电路接通时，正极的二氧化铅得到电子变成硫酸铅，而负极的铅失去电子，也变成硫酸铅。当铅和二氧化铅的固体都变成硫酸铅后，我们就会发现，电池没电了。

如果这个时候我们将两边的硫酸铅分别与外加电源相连，在电流的作用下，连接电源正极的硫酸铅失去电子变成二氧化铅，而连接电源负极的硫酸铅得到电子变成铅。如果将外加电源撤去，铅与二氧化铅又可以发生化学反应并释放出电能，也就是说，电池的电量又重新被充满了。

除了铅酸电池，常见的镍镉电池、锂离子电池等蓄电池和碳锌电池（干电池）等一次性的电池，构成正负电极的材料也不仅仅是作为导体传递电流，而是同时参与电化学反应。也就是说，固体电极构成了电池储能的载体。这样的好处是很明显的：电池可以被设计得小巧紧凑，非常适合于“寸土寸金”的便携式设备。

然而将传统的蓄电池应用于新能源的储能却遇到了一个很大的麻烦：新能源供电的不稳定性意味着与之配套的储能设备需要能够很灵活地调节要储存能量的总量以及提供能量的功率。然而对于依靠固体电极的传统电池，一块电池能够储存多少电能，这些电能能够以多大的功率被释放出来，在它被封装好离开流水线的那一刻就已经被固定下来，使用者很难再去根据需要进行调节。

那么如何克服这个缺陷？解决的办法就是让固体电极只负责传递电流，储存电能的任务改由液态的反应物来承担，这也就是液流电池的基本原理。例如目前发展较为成熟的全钒液流电池，其基本构造是一个被选择性渗透膜隔开的腔体，腔体的两侧各有一个固体电极。如果我们在腔体的两侧分别加入含有两种不同钒离子的酸溶液，那么在电池放电时，两级分别会发生这样的反应：

总的结果是两种含有钒的化合物变成了另外两种钒的化合物，而反应中产生的电能就通过电极源源不断地输出到外部电路中。而电池充电时，上面这个反应又反过来进行。

液流电池的基本原理：在电池内部，正负极的反应物被半透膜隔开。无论充电还是放电，所有的化学反应都在溶液中进行，反应结束后溶液可以通过泵从电池中抽走，同时新的待反应的溶液从储料罐中被注入到电池内部。图片引自参考文献[1]

无论是充电还是放电，只要反应进行完全，那么能量的转化也就宣告结束。但与传统电池不同的是，对于液流电池，我们可以用泵将已经转化好的溶液从电池中抽走，再将尚未反应过的溶液注入到电池中，那么充电或者放电过程就可以继续进行。这种电池的能量转化不再依赖于固体电极，而是流动的液体，因此得名液流电池。

相比于使用固体电极的传统电池，液流电池有一个明显的好处就是赋予了使用者更大的自由来调节电池的性能。如果我们需要增加电池的储能容量，不需要改变电池的构造，只要把更多存有钒离子溶液的储料罐与电池相连，或者提高溶液中钒离子的浓度就可以了。如果需要提高电池的输出功率呢？也不难做到，只需要将几个相同的电池连接起来，增大两种溶液互相接触的面积，让单位时间内有更多的溶液发生化学反应。使用上的灵活性，让液流电池能够更好地发挥能量存储的功能。

与太阳能电池联用的全钒液流电池

与传统蓄电池相比，液流电池还有一个显著的优点就是电池变得更加容易维护。在前面我们提到，传统的蓄电池构成固体电极的材料总是在放电时转化为另一种物质，而充电时又变回到原先的物质，例如铅酸蓄电池中铅与硫酸铅之间的转化、镍镉电池中金属镉与氢氧化镉之间的转化等等。然而在实际操作中所发生的往往并不像写在化学反应式中的那么简单。例如构成电极的固体材料经过一个放电-充电循环，虽然回到了最初的化学组成，但是它的结构可能已经发生了改变，而这就不可避免地影响到电池的性能，甚至有可能造成安全事故。相反，在液流电池中，化学反应在溶液中进行，固体电极只是负责传输电流，较少受到各种副反应的干扰。因此，液流电池往往可以比传统的蓄电池经受更多的充放电循环而保持性能基本不受影响。

说了这么多液流电池的优点，我们也要谈谈它的局限性。由于不再像传统蓄电池那样将能量储存在固体材料中，液流电池难以避免的一个缺点是单位质量能够提供的电能要大打折扣，因为溶液的浓度再高，仍然会有大量的溶剂对于对电能的存储毫无贡献。这就好比同样大小的钱包，一个人将它塞满了钞票，另一个人却除了钞票还要放进草纸，两个人一起上街，谁能买到更多的东西自然不言而喻。例如前面提及的全钒液流电池，单位质量能提供的能量只有锂离子电池的20%左右[1]。即便液流电池并不用于便携式设备，人们仍然希望它们越小越好。另外，如何通过使用更为低廉的材料降低液流电池的成本也是目前研究人员努力的一大方向。

当然，有缺点并不可怕，关键是我们如何通过技术的进步来逐渐克服这些缺点。事实上，液流电池技术实际上早在上世纪70年代就已经出现，但直到近些年来人们才意识到它的价值。目前关于液流电池的研究已经成为相当热门的一个领域。相信在不久的将来，这种独特的电池技术能够为解决人类的能源问题发挥更大的作用。

参考文献

[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）

用途：

太阳能：使用太阳电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；使用太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水；利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电；利用太阳能进行海水淡化。生物质能源：就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。沼气：是各种有机物质，在隔绝空气（还原条件），并必适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。它含有少量硫化氢，所以略带臭味。发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与。反应大致分两个阶段：（1）微生物把复杂的有机物质中的糖类、脂肪、蛋白质降解成简单的物质，如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等。（2）由甲烷菌种的作用，使一些简单的物质变成甲烷。要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。沼气池必须符合多种条件。首先，沼气池要密闭。有机物质发酵成沼气，是多种厌氧菌活动的结果，因此要造成一个厌氧菌活动的缺氧环境。在建造沼气池时要注意隔绝空气，不透气、不渗水。其次，沼气池里要维持20～40℃，因为通常在这种温度下产气率最高。第三，沼气池要有充足的养分。微生物要生存、繁殖，必须从发酵物质中吸取养分。在沼气池的发酵原料中，人畜粪便能提供氮元素，农作物的秸秆等纤维素能提供碳元素。第四，发酵原料要含适量水，一般要求沼气池的发酵原料中含水80％左右，过多或过少都对产气不利。第五，沼气池的pH值一般控制在7～8.5。

可再生能源是重要的能源资源，开发利用可再生能源具有以下重要意义：1、开发利用可再生能源是落实科学发展观、建设资源节约型社 会、实现可持续发展的基本要求。充足、安全、清洁的能源供应是经 济发展和社会进步的基本保障。我国人口众多，人均能源消费水平低， 能源需求增长压力大，能源供应与经济发展的矛盾十分突出。从根本 上解决我国的能源问题，不断满足经济和社会发展的需要，保护环境， 实现可持续发展，除大力提高能源效率外，加快开发利用可再生能源 是重要的战略选择，也是落实科学发展观、建设资源节约型社会的基 本要求。 2、开发利用可再生能源是保护环境、应对气候变化的重要措施。 目前，我国环境污染问题突出，生态系统脆弱，大量开采和使用化石 能源对环境影响很大，特别是我国能源消费结构中煤炭比例偏高，二 氧化碳排放增长较快，对气候变化影响较大。可再生能源清洁环保， 开发利用过程不增加温室气体排放。开发利用可再生能源，对优化能源结构、保护环境、减排温室气体、应对气候变化具有十分重要的作用。 3、开发利用可再生能源是建设社会主义新农村的重要措施。农 村是目前我国经济和社会发展最薄弱的地区，能源基础设施落后，全 国还有约 1150 万人没有电力供应，许多农村生活能源仍主要依靠秸 秆、薪柴等生物质低效直接燃烧的传统利用方式提供。农村地区可再 生能源资源丰富，加快可再生能源开发利用，一方面可以利用当地资 源，因地制宜解决偏远地区电力供应和农村居民生活用能问题，另一 方面可以将农村地区的生物质资源转换为商品能源，使可再生能源成 为农村特色产业，有效延长农业产业链，提高农业效益，增加农民收 入，改善农村环境，促进农村地区经济和社会的可持续发展。 4、开发利用可再生能源是开拓新的经济增长领域、促进经济转 型、扩大就业的重要选择。可再生能源资源分布广泛，各地区都具有 一定的可再生能源开发利用条件。可再生能源的开发利用主要是利用 当地自然资源和人力资源，对促进地区经济发展具有重要意义。同时， 可再生能源也是高新技术和新兴产业，快速发展的可再生能源已成为 一个新的经济增长点，可以有效拉动装备制造等相关产业的发展，对 调整产业结构，促进经济增长方式转变，扩大就业，推进经济和社会 的可持续发展意义重大。 当前，国际石油价格一再飙升，能源消费大国苦不堪言，因此发展可再生能源成为许多国家关切的问题。

不可再生能源：泛指人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源，叫“非可再生能源”。如煤和石油都是古生物的遗体被掩压在地下深层中，经过漫长的演化而形成的(故也称为“化石燃料”)，一旦被燃烧耗用后，不可能在数百年乃至数万年内再生，因而属于“不可再生能源”。除此之外，不可再生能源还有，煤、石油、天然气、核能、油页岩。

不可再生能源的用途很多了，比如煤可以用于直接取暖，化工原料，工业燃料，可以发电，现在正在研究煤转化石油的工艺，以期待通过我国储存的大量煤炭资源取代能源安全存在巨大隐患的石油。石油的各种转化产品包括汽油、煤油，航天用油等等。天然气可以发电，可以用作汽车燃料，现在很多公交车都是燃气的了，还有就是很大程度的居民用气，清洁无污染，但是不可再生。核能→水和水蒸气的内能→发电机转子的机械能→电能。

充电时消耗的电能是可再生能源的，手机充电时消耗的电能最初就是可再生能源的。

电能，是指使用电以各种形式做功（即产生能量）的能力。