《全球铁合金网》2014-6-30:钒“氧化还原流”电池非常稳定,可以反复充电2万次,性能几乎不受影响,寿命估计长达几十年。唯一的缺点是它们很占地方,且价格昂贵。
在未来,或许我们可以从海鞘身上提取钒。钒是动物所需的基本微量元素,大量则有毒性。一些海鞘体内的钒不断累积,将它们的血液变成绿色,这或许是它们抵御天敌的一种手段。一些真菌也会在体内储存钒。比如毒蘑菇扑蝇蕈。
夏威夷有个问题———阳光太多,准确地说是太多太阳能以至于电网无法容纳———十年内全世界都可能面临同样的问题。而解决方案是一种你可能从未听说过的金属——— 钒。
夏威夷的问题是阳光太多,输入电网的太阳能太多。在这个离美国本土遥远的州,发电一直是个大难题。由于本身没有化石燃料资源,石油和煤炭需要跨越太平洋从遥远的地方运来。这就使得夏威夷的电力非常非常昂贵,价格相当于美国本土平均电价的3倍。由于这个原因,岛上超过10%(比例还在增加)的居民坚决使用自家屋顶上的太阳能电池板。可问题是,所有这些太阳能生成的电力在错误的地方和一天中错误的时间涌入电网。夏威夷唯一的电力公司H eco担忧部分电网在正午的发电高峰期可能因为负荷太重导致危险,于是从去年开始,H eco拒绝让居民新安装的太阳能电池板连接电网。这并非只是夏威夷一个地方的问题。
“加利福尼亚也面临同样问题,”美国钒矿(美国唯一的钒矿开采公司)的加拿大裔负责人比尔·拉德瓦克说,“太阳能发电的效率令人欣喜,但它们大多在正午至下午4点这段时间涌入电网。”然而人们的用电高峰却是在接近傍晚时才开始,此时上班族纷纷归家,打开电灯、空调、电暖壶、微波炉等各种电器。加州需要的是一种在下午时将多余电能暂时储存几个小时的技术。而拉德瓦克相信他已经找到解决办法———一种利用钒的特殊属性的电化学方案。
击败十字军的功臣
回到2006年,拉德瓦克的公司决定重新开启内华达州的旧钒矿,当时他根本就没有想过这种金属会和电网扯上任何关系。当时,钒的主要用途是炼钢。只要添加哪怕0 .15%的钒,就能炼成异常坚固的钢合金。“炼钢厂爱死它了,”拉德瓦克说,“他们拿过一块钒,扔进钢炉。最终炼成的合金在用量减少30%的情况下还可以保持原来的强度。”加入钒后,钢质工具还可变得更加耐用。如果钒这个名词让你感觉似曾相似,可能是因为你曾在扳手或其他钢质工具上见过。由于钒在高温下依然保持坚硬的属性,它还被用于制造钻头、圆锯、引擎涡轮和其他工作过程中大量发热的移动部件。因此,炼钢厂是钒的最大用户,占总需求量90%。
钒的合金特性100多年前已经被人们发现。1908年,亨利·福特曾用钒合金来制造福特T型车,使之更轻更坚固。由于同样的原因,加上它耐高温的特性,第一次世界大战期间,钒还被用于制造便携式火炮和防弹服。
钒的辉煌历史还可以追溯到更早。事实上,早在公元前3世纪,人类就可能在无意中开始利用这种金属。“大马士革钢”大约在那时诞生。用这种钢铸造的剑据说锋利无比,一根头发掉落到剑刃上也会被切成两段。大马士革钢铸造的弯刀为穆斯林战士击退东征的十字军立下了汗马功劳。从一些古董刀具上采集的样本被发现含有微量钒。奇怪的是,这种有着2000年历史的制钢传统在18世纪中叶突然消失。一些理论推测,为大马士革钢提供原料的印度南部的含钒铁矿在这个时候被开采完了。
今天,钒主要被用于制造结构钢材,比如修筑大桥的钢材、加固混凝土用的“钢筋”,等等。这是一个狭小且不太稳定的市场,供给被中国、俄罗斯和南非所主导。来源主要是铁矿石渣和其他矿产开采的副产品。中国正在经历历史上时间最长规模最大的建筑热潮,因此也是钒的主要需求方。不久前,北京下令禁止使用劣质的钢筋之后,钒的需求量猛增40%。然而,这种金属未来最大的作用或许和炼钢没有任何关系,而取决于钒的特殊电化学属性。
优质电解质
钒是一种银白色软性金属,地壳中含量列第22位的元素。1801年,西班牙矿物学家安德烈斯·曼努埃尔·里奥首先发现这种金属,将其命名为erythronium。钒这个名字源于第二位发现者。“钒被两度发现,其中一位发现者瑞典化学家尼尔斯·塞弗斯托姆将它命名为钒(vanadium ),源于北欧神话中的美神凡纳迪斯,”伦敦大学学院的化学教授安德烈·塞拉解释说,同时拿出一个装着黄色液体的长颈瓶。里面装有含“氧化”钒的硫酸,即被剥夺了全部5个外层电子的钒(元素周期表上它排在第五列)。塞拉教授往瓶中添加了一小块锌汞合金,开始剧烈地摇晃瓶子。教授解释说,“锌将让钒找回失去的电子——— 我们称这个过程为‘还原’。”黄色溶液迅速变成绿色,然后逐渐变蓝。“如果我们继续摇晃几分钟,最终将得到一瓶紫色溶液。”每一次变色代表钒又找回一个电子。“钒的电子能够被轻易剥夺又找回,这一属性是制造稳定电池的基础。”
钒“氧化还原流”电池确实非常稳定。它们可以被反复充电2万次,性能几乎不受任何影响,寿命估计可长达几十年(由于它们才刚诞生不久,尚未经过实践考验)。但与此同时,它们的体积巨大,很大程度上由于钒的关系价格昂贵。美国钒矿公司与德国吉特迈工程公司合作生产的最小的钒电池占地面积相当于一个停机位,造价10万美元。它的主体包括两个巨大的溶液罐,分别装有溶解了钒的硫酸,一块隔膜将两个罐子分离开。电泵驱动硫酸溶液流经电池两边的电极,产生电流。在一个罐子中,钒释放电子,从黄色变成蓝色。在另一个罐子中,钒收回电子,从绿色变成紫色。电子经过电路,产生电流,与此同时,同等数量的质子(氢离子)穿过分隔两个罐子的隔膜。
用电大户省钱法宝
拉德瓦克说,伦敦B B C总部———7000名员工在此工作———将需要一个相当于两辆12米拖车大小的电池,可以安装在屋顶或是埋在地下。他的公司负责提供电池的关键原料———电解质,即电池中的溶液。它的化学构成和塞拉教授演示的实验中所用的溶液完全一样,更妙的是,它原本就是用硫酸将钒从矿石中提取出来的标准工艺的终端产品。
拉德瓦克说,他的目标顾客是那些用电量巨大的公司,比如经营纽约地铁的大都市交通管理局。他的公司刚与之签订合同,将提供第一批“单元方块”(Cellcube)电池。这类公司在用电高峰期的耗电量巨大,在电力采取分时段计价之后,它们的电费开支越来越大。拉德瓦克说,如果使用钒电池在用电低谷时段电价最低的时候将电力储存起来,高峰时再用,可以省下一大笔钱。
通过平衡用电峰谷之间的供需差异,钒电池也能帮助电力公司。为了满足一年中屈指可数的几个用电超高峰——— 比如,节假日和反常天气导致的严寒酷暑天———电力公司不得不修建额外电站,以备不时之需,这可是一笔不小的开支。
随着更多的太阳能和风能补充进入电网,解决电力供需之间的时差将构成更大挑战。于是我们又回到夏威夷。屋顶太阳能电池板总是在一天中“错误”(用电低谷)的时候生产电力,而且它们生产的是低压电,德国再生能源开发商亚历山大·沃格特解释说,这意味着它们只限于当地社区使用。
“传统的电网都是遵循电能从高压流向低压的原理。”这意味着,太阳能只能在周围邻居之间分享———范围通常不超过一个村子或一小镇———这些用户通过同一个中转站连接高压的全国电网。沃格特帮助创建了后来被吉特迈收购的钒电池公司。他设想在电力中转站旁边安放电池,用于储存每个社区每天多余的太阳能,晚上用电高峰期时再将电能释放回电网。
钒电池的优势
这是一个美好的设想,但两个重要问题随之产生。第一,为什么钒电池是首选?现在有不少的廉价锂电池,它们为了迟迟未能到来的电动车热潮而设计,功能足够强大。锂电池能够迅速提供大量的电能,如果要应对突发的电力波动———比如当太阳能电站遭遇突如其来的大片乌云———它们正好派上用场。但是,锂电池可反复充电的次数不及钒电池的1/10,通常在1000至2000次充电后就会寿终正寝。此外,锂电池的容量也无法满足一整个社区数小时的电能储存需求。相比之下,钒电池就强大多了。只需要将罐子做得更大,装入更多电解质就能储存更多的电能。它们还能以稳定的频率释放电能,而对于传统电池,大容量通常意味着大电能。
当然,除了电池之外,科学家们还在研究其他的大型能量储存系统。比如通过液化空气,将空气冷却到零下200℃,使之体积缩小为原来的1/1000。然而,这类系统很占空间,更适用于大型设施,比如连接全国高压电网的大型海上风电场的储电设备。
第二个关键问题是,地球的钒储备是否足够?当前的挑战是,就在钒电池产业刚诞生的时候,正碰上中国对钒钢的需求量猛增。还有一个更长远的问题———炼钢所需的钒的比例是如此微小,从废旧钢材中回收钒是不划算的。因此,对于电池市场来说,已经被熔入钢材的钒完全指望不上了。但沃格特先生依然乐观。
“无论什么原材料都要面对市场需求是否稳定、开辟新矿山的动力有多大的问题。”随着需求增加,美国钒矿将不会是唯一试图弥补这一差距的公司。比如,竞争对手电池制造商Im ergy发明了一种用铁矿石渣和煤灰生产钒电解液的低成本方法。长期来看,钒钢的需求可通过回收熔炼旧钒钢来满足。这样一来,新开采的钒矿大多可以被用于新兴能源市场。更长远地看,或许我们可以从海鞘身上提取钒。在太平洋中生活着大量这种动物。