電池除了儲(chǔ)能還能拿來(lái)干嘛？MIT科學(xué)家：拿來(lái)分離二氧化碳

儲(chǔ)能與碳捕捉與儲(chǔ)存（Carben Capture and Storage， 簡(jiǎn)稱CCS）看似是毫不相關(guān)的兩個(gè)領(lǐng)域，但是來(lái)自麻省理工的科學(xué)家Sahag Voskian和T． Alan Hatton改變了這一點(diǎn)。他們研發(fā)出了一種新型CCS技術(shù)，通過(guò)一塊儲(chǔ)能電池的充放電過(guò)程，在充電過(guò)程中將二氧化碳從濃度低至0．6％－10％的氣流中分離出來(lái)，并在放電過(guò)程中釋放純凈的二氧化碳。電池的電流效率超過(guò)90％，每分離一摩爾的二氧化碳（44克）需要消耗40－90kJ的能量，且可以長(zhǎng)期運(yùn)行，7000次充放電循環(huán)后容量損失不超過(guò)30％。這一結(jié)果于9月30日發(fā)布在能源頂級(jí)期刊Energy＆ Environmental Science上。

CCS技術(shù)簡(jiǎn)介

由二氧化碳引起的全球變暖帶來(lái)的威脅是本世紀(jì)人類面臨的重大挑戰(zhàn)之一。據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)IPCC于2018年10月發(fā)布的《IPCC 全球升溫 1．5oC 特別報(bào)告》，如果想要將全球變暖控制在1．5°C以內(nèi)，全球碳排放在2030年下降到2010年的55％，到2050年人類實(shí)現(xiàn)零排放。這就需要從空氣中除去二氧化碳來(lái)平衡碳排放。

相關(guān)的研究也早已開展。目前比較成熟的技術(shù)是氧燃料燃燒（通過(guò)使用純氧而不是空氣使燃料燃燒，從而得到高二氧化碳濃度的廢氣，便于二氧化碳儲(chǔ)存）加溶液洗滌（通常為胺洗）。這個(gè)過(guò)程要求二氧化碳濃度大于10％，且需要對(duì)電廠進(jìn)行大規(guī)模的改造。許多技術(shù)通過(guò)化學(xué)過(guò)程吸收二氧化碳，這就需要吸收器的再生以實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。目前再生的手段主要可以分為“熱變化”（Termal－swing）和“壓力變化”（Pressure－swing）兩種，但這兩種方式需要大量能量，用于將加熱吸收器或?qū)⑽掌鞒檎婵铡Ｒ虼?，能量利用效率都很低?/p>

除此之外，CCS的應(yīng)用場(chǎng)景不應(yīng)僅限于處理高濃度的二氧化碳流，在一些特殊環(huán)境，如太空站、飛機(jī)機(jī)艙、潛水艇等封閉環(huán)境中，需要從二氧化碳濃度很低的空氣中分離二氧化碳。這樣的技術(shù)也能成為人類在用盡碳排放指標(biāo)后力挽狂瀾的工具。

所以，雖然關(guān)于CCS的研究已經(jīng)持續(xù)了很多年，且碳交易為CCS的經(jīng)濟(jì)應(yīng)用提供了可能，但是目前電廠應(yīng)用CCS的實(shí)現(xiàn)減排的成本依舊十分高昂。據(jù)IPCC估計(jì)，一座燃煤電站應(yīng)用CCS能夠減少80％－90％的碳排放，但也會(huì)因此增加25％－40％的能源消耗和21％－91％的成本。2015年，商務(wù)部將CCS稱為“應(yīng)對(duì)全球變暖的一種重要方案”，同時(shí)也稱為其“一項(xiàng)昂貴的實(shí)驗(yàn)品”。

新技術(shù)原理與特點(diǎn)

在這項(xiàng)研究中，MIT科學(xué)家沒(méi)有使用傳統(tǒng)的“熱變化”或“壓力變化”吸收體，而是采用“電變化”（Electro－Swing）吸收器。由于電化學(xué)過(guò)程近乎等溫等壓，能極大地提升其能量利用效率。整個(gè)裝置的核心部件就是這個(gè)“電變化”吸收器。吸收器由三部分組成兩片涂有能吸附二氧化碳的蒽醌聚合物納米管涂層的電極，中間是聚乙烯二茂鐵納米管復(fù)合材料制成的電極。在陰陽(yáng)極之間是絕緣材料。

接下來(lái)的內(nèi)容涉及大量化學(xué)，對(duì)化學(xué)有恐懼癥的小伙伴可以跳過(guò)。充電時(shí)，蒽醌上的兩個(gè)氧原子得電子，形成負(fù)電中心（或者說(shuō)使其具有足夠的路易斯堿強(qiáng)度），吸引二氧化碳中位于正電中心附近的碳原子，使醌羧酸化，捕獲二氧化碳。由于氮?dú)夂脱鯕舛疾痪邆溥@樣的路易斯酸強(qiáng)度，所以反應(yīng)有很好的選擇性。充電電壓越高，氧原子被極化得越明顯，反應(yīng)速率越快，但能量損失更大，因此從能量的角度，應(yīng)該使充電電壓略大于反應(yīng)需要的電壓，在純氮?dú)鈼l件下大約是1．21V左右，隨二氧化碳濃度變化。

這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)和難點(diǎn)在于電極材料的選擇和制作。首先，需要能選擇性捕獲二氧化碳；其次，電極表面需要較大的表面積，增加反應(yīng)速率，這對(duì)于從低濃度的二氧化碳源中捕獲二氧化碳尤為重要；最后，還需要良好的導(dǎo)電性，這一點(diǎn)通過(guò)聚蒽醌中的離域π鍵得以實(shí)現(xiàn)。

成本和儲(chǔ)能密度方面，作者沒(méi)有過(guò)多提及。不過(guò)可以猜的是，這項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)好于原有的技術(shù)。一方面，電極沒(méi)有用到稀有金屬，所使用的蒽醌和二茂鐵也都實(shí)現(xiàn)了人工合成，成本不會(huì)太高。另一方面，這項(xiàng)技術(shù)既可以用于碳交易，用于電力負(fù)荷的削峰填谷，反應(yīng)過(guò)程不需要加熱或加壓，也節(jié)省了大量能源開支，捕獲的二氧化碳還可用于生產(chǎn)尿素等工業(yè)產(chǎn)品。不過(guò)，其儲(chǔ)能密度應(yīng)該不大。一方面，部分空間需要留作氣道，增加了裝置的體積，另一方面，真正發(fā)生反應(yīng)的只有表面的一層聚蒽醌，能儲(chǔ)存的電量有限。由于捕獲二氧化碳終究需要能量，其單次循環(huán)效率不高。不過(guò)，這項(xiàng)技術(shù)最初就是作為碳捕獲技術(shù)而研究，其儲(chǔ)能的特性可以作為錦上添花。

目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成立了一家名為Verdox的公司，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的商業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)。