電池還能“吸收”二氧化碳？比你想的更快更安全！

出品：科普中國

作者：海里的咸魚（中國科學(xué)院長春光機所光學(xué)碩士）

監(jiān)制：中國科普博覽

在這個日益變化的世界中，我們面臨著一個無法回避的問題——能源。能源是推動我們社會發(fā)展的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代生活的基石。

早在遠古時期，人類在勞動中學(xué)會保留并使用火種，掀起了第一次能源革命，人類具備了支配自然資源的能力。木炭烤肉是這一階段的典型場景。

18世紀70年代，世界上第一臺以煤炭作為燃料的蒸汽機出現(xiàn)了，第二次工業(yè)革命使人類進入了蒸汽時代，燒煤炭的蒸汽火車大大增加了人類的運輸能力。

隨著電磁學(xué)的發(fā)展，人們先后制成了有實用價值的發(fā)電機與電動機，便于傳輸與使用的電力取代了內(nèi)燃機，標(biāo)志著人類第三次能源革命的到來。現(xiàn)在烤肉可以用電烤爐了，坐火車則有電驅(qū)動的高鐵。

（圖片來源：VEER圖庫）

然而，傳統(tǒng)的化石燃料能源并不是無限的，而且其使用過程中產(chǎn)生的污染和溫室氣體排放對我們的環(huán)境造成了影響。這就使得新能源的發(fā)展變得尤為重要和迫切。

新能源，減少化石能源依賴

全球氣候變化已經(jīng)成為人類發(fā)展的最大挑戰(zhàn)之一，極大促進了全球應(yīng)對氣候變化的政治共識和重大行動。全球氣候變化對全球人類社會構(gòu)成重大威脅。

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)2018年10月的報告認為,為了避免極端危害，世界必須將全球變暖幅度控制在1.5℃以內(nèi)。只有全球都在21世紀中葉實現(xiàn)溫室氣體凈零排放，才有可能實現(xiàn)這一目標(biāo)。為了實現(xiàn)溫室氣體零排放的目標(biāo)，尋找并發(fā)展環(huán)境友好的替代能源則是發(fā)展的重中之重，其中我們非常熟悉的光伏發(fā)電以及風(fēng)力發(fā)電就是良好的替代能源。

目前，我國集中式光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電都已排名世界第一，但是兩個發(fā)電方式都存在不穩(wěn)定性，沒有辦法直接并入電網(wǎng)使用。電網(wǎng)分為發(fā)電端和用電端，用電端需要多少功率的電，發(fā)電端就得實時調(diào)整發(fā)電的功率?；痣娬究梢酝ㄟ^調(diào)整燃料的燃燒量來控制發(fā)電功率，而光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電功率是由自然條件決定的。

到了晚上，照明用電需求增多，但光伏發(fā)電卻不能用了。對風(fēng)力發(fā)電來說，自然界風(fēng)力忽大忽小也會導(dǎo)致發(fā)電的功率飄忽不定，這導(dǎo)致了電能的浪費。

儲能技術(shù)的出現(xiàn)，是實現(xiàn)可再生能源高效利用的絕佳推手。

（圖片來源：作者自制）

把電力比作水的話，發(fā)電端相當(dāng)于一個出水的水龍頭，用電端則是用水管道。新能源水龍頭的出水量不一定能隨時滿足用水管道的流量需求，這時候，儲能技術(shù)充當(dāng)了蓄水池的角色。將一定的電量通過儲能技術(shù)存起來，這樣可以將發(fā)電端的多余發(fā)電量儲存起來，在發(fā)電不足時滿足用電端的需求。

相比于抽水蓄能電站、壓縮空氣儲能站、電解水制氫儲能而言，電化學(xué)儲能技術(shù)不受地質(zhì)、地形、環(huán)境的限制，可以直接對電能進行儲存與釋放，極具行業(yè)前景。

目前電化學(xué)儲能行業(yè)，鋰電池占據(jù)了市場主導(dǎo)地位，但由于鋰離子電池在使用過程中鋰枝晶生長問題尚未解決（鋰離子電池使用過程中，會在負極產(chǎn)生金屬鋰累積而成的樹枝狀金屬，這會降低電池性能，嚴重時可能造成電池短路，燃燒或爆炸），規(guī)?；瘧?yīng)用存在很高的安全風(fēng)險。

一舉兩得，可以吸收二氧化碳的儲能電池

為了解決現(xiàn)有電池的各類缺陷，研究人員可謂絞勁腦汁，力求獲得一種性能高效還環(huán)保安全的“優(yōu)秀”電池。接下來，隆重介紹一款極其環(huán)保，在儲能過程中還不忘順帶吸收二氧化碳，助力碳中和的儲能電池——水系有機液流電池。

（圖片來源：參考文獻1）

水系有機液流電池的模型如上圖，包括儲罐、電解液、循環(huán)管道、循環(huán)泵、電極板、集流體、隔膜等組件。這種電池通過溶解在水中有機物的化學(xué)反應(yīng)來儲存或釋放能量。

正負極電解液是具有可逆的電化學(xué)氧化還原能力的有機物分子(即電活性有機物分子),并分別儲存于兩個儲罐之中。電解液在循環(huán)泵的驅(qū)動下經(jīng)由循環(huán)管道輸送到電極表面發(fā)生電化學(xué)氧化還原反應(yīng),實現(xiàn)能量的儲存或釋放。

電極板、集流體和隔膜則構(gòu)成了電池的主體部分。電極板通常選用帶有流槽的高密度石墨板,同時起到電子通路和流體通路的作用。集流體是電活性有機物分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)的場所,往往選用高比表面積的導(dǎo)電材料,比如碳氈、石墨氈、柔性碳布或者碳紙。隔膜起到分隔正負極的作用,為了在有效抑制電活性有機物分子的交叉同時允許H+、Na+、K+、Cl-等帶電離子通過以平衡電荷,一般利用陽離子交換膜適配帶負電荷有機物和陰離子交換膜適配帶正電荷有機物。

西湖大學(xué)的王盼團隊與美國哈佛大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)研發(fā)團隊合作，開發(fā)了一類基于吩嗪(fēn qín)衍生物的水溶性有機儲能小分子，并提出在水系有機液流電池充放電過程中實現(xiàn)電化學(xué)碳捕獲一體化的方法。

（圖片來源：參考文獻2）

這類電池在充電過程中，電解液中的每個儲能分子在存儲電力的同時，本來是中性的電解液環(huán)境轉(zhuǎn)換成了易于溶解二氧化碳的堿性環(huán)境，該環(huán)境能夠高效溶解空氣中的二氧化碳。

（圖片來源：參考文獻2）

而在放電過程中，儲能分子在釋放電力的同時使得堿性環(huán)境轉(zhuǎn)為酸性環(huán)境，二氧化碳在酸性環(huán)境中溶解性小，便逃離電解液再度變?yōu)闅怏w，從而被收集起來。

電池的充放電，導(dǎo)致電解液的酸堿性產(chǎn)生了“搖擺”，科學(xué)家利用這一特性來捕獲與收集空氣中的二氧化碳。研究團隊做實驗發(fā)現(xiàn)，在歷經(jīng)200個循環(huán)后，電池的效率依然很高，經(jīng)過仿真計算發(fā)現(xiàn),這種電池的效率在一眾新型電池中也不遜色，這一成果發(fā)表在了《自然·能源》期刊上。

結(jié)語

人類從古代依靠柴火中植物固定的生物質(zhì)能來加熱事物取暖，到利用能量密度更高的石油與煤炭，再到當(dāng)前可以直接將太陽能、風(fēng)能乃至原子能轉(zhuǎn)化為方便傳輸?shù)碾娔?，供?yīng)千家萬戶使用。我們對能量的使用需求越來越大，但對環(huán)境造成的影響也越來越不可忽視。研發(fā)高效、環(huán)保又安全的能量收集與儲存裝置，是人類可持續(xù)發(fā)展所必須跨越的技術(shù)難關(guān)。

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