电池还能“吸收”二氧化碳？比你想的更快更安全！

出品：科普中国

作者：海里的咸鱼（中国科学院长春光机所光学硕士）

监制：中国科普博览

在这个日益变化的世界中，我们面临着一个无法回避的问题——能源。能源是推动我们社会发展的基础，是现代生活的基石。

早在远古时期，人类在劳动中学会保留并使用火种，掀起了第一次能源革命，人类具备了支配自然资源的能力。木炭烤肉是这一阶段的典型场景。

18世纪70年代，世界上第一台以煤炭作为燃料的蒸汽机出现了，第二次工业革命使人类进入了蒸汽时代，烧煤炭的蒸汽火车大大增加了人类的运输能力。

随着电磁学的发展，人们先后制成了有实用价值的发电机与电动机，便于传输与使用的电力取代了内燃机，标志着人类第三次能源革命的到来。现在烤肉可以用电烤炉了，坐火车则有电驱动的高铁。

（图片来源：VEER图库）

然而，传统的化石燃料能源并不是无限的，而且其使用过程中产生的污染和温室气体排放对我们的环境造成了影响。这就使得新能源的发展变得尤为重要和迫切。

新能源，减少化石能源依赖

全球气候变化已经成为人类发展的最大挑战之一，极大促进了全球应对气候变化的政治共识和重大行动。全球气候变化对全球人类社会构成重大威胁。

政府间气候变化专门委员会(IPCC)2018年10月的报告认为,为了避免极端危害，世界必须将全球变暖幅度控制在1.5℃以内。只有全球都在21世纪中叶实现温室气体净零排放，才有可能实现这一目标。为了实现温室气体零排放的目标，寻找并发展环境友好的替代能源则是发展的重中之重，其中我们非常熟悉的光伏发电以及风力发电就是良好的替代能源。

目前，我国集中式光伏发电和风力发电都已排名世界第一，但是两个发电方式都存在不稳定性，没有办法直接并入电网使用。电网分为发电端和用电端，用电端需要多少功率的电，发电端就得实时调整发电的功率。火电站可以通过调整燃料的燃烧量来控制发电功率，而光伏发电和风力发电的发电功率是由自然条件决定的。

到了晚上，照明用电需求增多，但光伏发电却不能用了。对风力发电来说，自然界风力忽大忽小也会导致发电的功率飘忽不定，这导致了电能的浪费。

储能技术的出现，是实现可再生能源高效利用的绝佳推手。

（图片来源：作者自制）

把电力比作水的话，发电端相当于一个出水的水龙头，用电端则是用水管道。新能源水龙头的出水量不一定能随时满足用水管道的流量需求，这时候，储能技术充当了蓄水池的角色。将一定的电量通过储能技术存起来，这样可以将发电端的多余发电量储存起来，在发电不足时满足用电端的需求。

相比于抽水蓄能电站、压缩空气储能站、电解水制氢储能而言，电化学储能技术不受地质、地形、环境的限制，可以直接对电能进行储存与释放，极具行业前景。

目前电化学储能行业，锂电池占据了市场主导地位，但由于锂离子电池在使用过程中锂枝晶生长问题尚未解决（锂离子电池使用过程中，会在负极产生金属锂累积而成的树枝状金属，这会降低电池性能，严重时可能造成电池短路，燃烧或爆炸），规模化应用存在很高的安全风险。

一举两得，可以吸收二氧化碳的储能电池

为了解决现有电池的各类缺陷，研究人员可谓绞劲脑汁，力求获得一种性能高效还环保安全的“优秀”电池。接下来，隆重介绍一款极其环保，在储能过程中还不忘顺带吸收二氧化碳，助力碳中和的储能电池——水系有机液流电池。

（图片来源：参考文献1）

水系有机液流电池的模型如上图，包括储罐、电解液、循环管道、循环泵、电极板、集流体、隔膜等组件。这种电池通过溶解在水中有机物的化学反应来储存或释放能量。

正负极电解液是具有可逆的电化学氧化还原能力的有机物分子(即电活性有机物分子),并分别储存于两个储罐之中。电解液在循环泵的驱动下经由循环管道输送到电极表面发生电化学氧化还原反应,实现能量的储存或释放。

电极板、集流体和隔膜则构成了电池的主体部分。电极板通常选用带有流槽的高密度石墨板,同时起到电子通路和流体通路的作用。集流体是电活性有机物分子发生氧化还原反应的场所,往往选用高比表面积的导电材料,比如碳毡、石墨毡、柔性碳布或者碳纸。隔膜起到分隔正负极的作用,为了在有效抑制电活性有机物分子的交叉同时允许H+、Na+、K+、Cl-等带电离子通过以平衡电荷,一般利用阳离子交换膜适配带负电荷有机物和阴离子交换膜适配带正电荷有机物。

西湖大学的王盼团队与美国哈佛大学、中国科学院大学研发团队合作，开发了一类基于吩嗪(fēn qín)衍生物的水溶性有机储能小分子，并提出在水系有机液流电池充放电过程中实现电化学碳捕获一体化的方法。

（图片来源：参考文献2）

这类电池在充电过程中，电解液中的每个储能分子在存储电力的同时，本来是中性的电解液环境转换成了易于溶解二氧化碳的碱性环境，该环境能够高效溶解空气中的二氧化碳。

（图片来源：参考文献2）

而在放电过程中，储能分子在释放电力的同时使得碱性环境转为酸性环境，二氧化碳在酸性环境中溶解性小，便逃离电解液再度变为气体，从而被收集起来。

电池的充放电，导致电解液的酸碱性产生了“摇摆”，科学家利用这一特性来捕获与收集空气中的二氧化碳。研究团队做实验发现，在历经200个循环后，电池的效率依然很高，经过仿真计算发现,这种电池的效率在一众新型电池中也不逊色，这一成果发表在了《自然·能源》期刊上。

结语

人类从古代依靠柴火中植物固定的生物质能来加热事物取暖，到利用能量密度更高的石油与煤炭，再到当前可以直接将太阳能、风能乃至原子能转化为方便传输的电能，供应千家万户使用。我们对能量的使用需求越来越大，但对环境造成的影响也越来越不可忽视。研发高效、环保又安全的能量收集与储存装置，是人类可持续发展所必须跨越的技术难关。

参考文献：

[1]孔涛逸,董晓丽,王永刚.水系有机液流电池活性材料研究进展[J].中国科学:化学,2023,53(08):1419-1436.

[2]WangP,PangS,JinS,etal.High-CapacityandHigh-StabilityElectrochemicalCO2CaptureCellwithCoupledElectricityStorage[J].2023.

[3]龚一平,王晨晖,修晓青等.大规模储能技术及多功能应用研究综述[J].供用电.1006-6357.2023.02.010.

[4]黄健航,王永刚,夏永姚.新型储能化学电源研究进展[J].电源技术,2020,44(06):793-798.

[5]彭康,刘俊敏,唐珙根等.水系有机液流电池电化学活性分子研究现状及展望[J].储能科学与技术,.2095-4239.2022.0009.

[6]陆立明.新能源发电技术的现状与发展趋势分析[J].工程建设与设计2020.11.250.

[7]李圆圆.水系有机液流电池关键材料的设计及性能研究[D].中国科学技术大学.2022.001681.