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(jī)所光學(xué)碩士）

監(jiān)制：中國科普博覽

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

早在遠(yuǎn)古時(shí)期，人類在勞動(dòng)中學(xué)會(huì)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(jì)70年代，世界上第一臺(tái)以煤炭作為燃料的蒸汽機(jī)出現(xiàn)了，第二次工業(yè)革命使人類進(jìn)入了蒸汽時(shí)代，燒煤炭的蒸汽火車大大增加了人類的運(yùn)輸能力。

隨著電磁學(xué)的發(fā)展，人們先后制成了有實(shí)用價(jià)值的發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)，便于傳輸與使用的電力取代了內(nèi)燃機(jī)，標(biāo)志著人類第三次能源革命的到來?，F(xiàn)在烤肉可以用電烤爐了，坐火車則有電驅(qū)動(dòng)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(duì)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(jìn)了全球應(yīng)對(duì)氣候變化的政治共識(shí)和重大行動(dòng)。全球氣候變化對(duì)全球人類社會(huì)構(gòu)成重大威脅。

政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)2018年10月的報(bào)告認(rèn)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(jì)中葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放，才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。為了實(shí)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(gè)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(shí)時(shí)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(duì)風(fēng)力發(fā)電來說，自然界風(fēng)力忽大忽小也會(huì)導(dǎo)致發(fā)電的功率飄忽不定，這導(dǎo)致了電能的浪費(fèi)。

儲(chǔ)能技術(shù)的出現(xiàn)，是實(shí)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(gè)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(shí)滿足用水管道的流量需求，這時(shí)候，儲(chǔ)能技術(shù)充當(dāng)了蓄水池的角色。將一定的電量通過儲(chǔ)能技術(shù)存起來，這樣可以將發(fā)電端的多余發(fā)電量儲(chǔ)存起來，在發(fā)電不足時(shí)滿足用電端的需求。

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

目前電化學(xué)儲(chǔ)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(huì)在負(fù)極產(chǎn)生金屬鋰?yán)鄯e而成的樹枝狀金屬，這會(huì)降低電池性能，嚴(yán)重時(shí)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(xiǎn)。

一舉兩得，可以吸收二氧化碳的儲(chǔ)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(chǔ)能過程中還不忘順帶吸收二氧化碳，助力碳中和的儲(chǔ)能電池——水系有機(jī)液流電池。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

水系有機(jī)液流電池的模型如上圖，包括儲(chǔ)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(jī)物的化學(xué)反應(yīng)來儲(chǔ)存或釋放能量。

正負(fù)極電解液是具有可逆的電化學(xué)氧化還原能力的有機(jī)物分子(即電活性有機(jī)物分子),并分別儲(chǔ)存于兩個(gè)儲(chǔ)罐之中。電解液在循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)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(shí)起到電子通路和流體通路的作用。集流體是電活性有機(jī)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?xì)?、石墨氈、柔性碳布或者碳紙。隔膜起到分隔正?fù)極的作用,為了在有效抑制電活性有機(jī)物分子的交叉同時(shí)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(fù)電荷有機(jī)物和陰離子交換膜適配帶正電荷有機(jī)物。

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

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

這類電池在充電過程中，電解液中的每個(gè)儲(chǔ)能分子在存儲(chǔ)電力的同時(shí)，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(xiàn)2）

而在放電過程中，儲(chǔ)能分子在釋放電力的同時(shí)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(tuán)隊(duì)做實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在歷經(jīng)200個(gè)循環(huán)后，電池的效率依然很高，經(jīng)過仿真計(jì)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)碾娔埽?yīng)千家萬戶使用。我們對(duì)能量的使用需求越來越大，但對(duì)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(chǔ)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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