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电池除了储能还能拿来干嘛?MIT科学家:拿来分离二氧化碳
发布时间:2019-11-07 11:32:05

储能与碳捕捉与储存(Carben Capture and Storage, 简称CCS)看似是毫不相关的两个领域,但是来自麻省理工的科学家Sahag Voskian和T. Alan Hatton改变了这一点。他们研发出了一?#20013;?#22411;CCS技术,通过一块储能电池的充放电过程,在充电过程中将二氧化碳从浓度低至0.6%-10%的气流中分离出来,并在放电过程中释放纯净的二氧化碳。电池的电流效率超过90%,每分离一摩尔的二氧化碳(44克)需要消耗40-90kJ的能量,且可以长期运行,7000次充放电循环后容?#20811;?#22833;不超过30%。这一结果于9月30日发布在能源顶级期刊Energy& Environmental Science上。


CCS技术简介


由二氧化?#23478;?#36215;的全球变暖带来的威胁是本世纪人类面临的重大挑战之一。据政府间气候变化专门委员会IPCC于2018年10月发布的《IPCC 全球升温 1.5oC 特别报告》,如果想要将全球变暖控制在1.5°C以内,全球碳排放在2030年下降到2010年的55%,到2050年人类实现零排放。这就需要从空气中除去二氧化碳来平衡碳排放。


相关的研究也早已开展。目前比较成熟的技术是氧燃料燃烧(通过使用纯氧而不是空气使燃料燃烧,从而得到高二氧化碳浓度的废气,便于二氧化碳储存)加溶液洗涤(通常为?#24223;矗?#36825;个过程要求二氧化碳浓度大于10%,且需要对电厂进行大规模的改造。许多技术通过化学过程吸收二氧化碳,这就需要吸收器的再生以实现循环利用。目前再生的手段主要可以分为“热变化”(Termal-swing)和“压力变化”(Pressure-swing)两种,但这两种方式需要大量能量,用于将加?#20219;?#25910;器或将吸收器抽真空。因此,能量利用效率都很低。


除此之外,CCS的应用场景不应仅限于处理高浓度的二氧化碳流,在一些特殊环?#24120;?#22914;太空站、飞机机舱、潜水艇等封闭环境中,需要从二氧化碳浓度很低的空气中分离二氧化碳。这样的技术也能成为人类在用尽碳排放指标后力挽狂?#38477;?#24037;具。


所以,虽?#36824;?#20110;CCS的研究已经?#20013;?#20102;很多年,且碳交易为CCS的经济应用提供了可能,但是目前电厂应用CCS的实现减排的成本依旧十分高昂。据IPCC估计,一座燃煤电站应用CCS能够减少80%-90%的碳排放,但?#19981;?#22240;此增加25%-40%的能源消耗和21%-91%的成本。2015年,商务部将CCS称为“应对全球变暖的一种重要方案”,同时也称为其“一项昂贵的实验品”。


新技术原理与特点


在这项研究中,MIT科学家没有使用传统的“热变化”或“压力变化”吸收体,而是采用“电变化”(Electro-Swing)吸收器。由于电化学过程近乎?#20219;?#31561;压,能极大地提升其能量利用效?#30465;?#25972;个装置的核心部件就是这个“电变化”吸收器。吸收器由三部分组成?#27627;?#29255;涂有能吸附二氧化碳的蒽醌聚合物纳米管涂层的电极,中间是聚乙烯二茂铁纳米管复合材料制成的电极。在阴阳极之间是绝缘材料。


接下来的内容涉及大量化学,对化学有恐惧症的小伙伴可以跳过。充电时,蒽醌上的两个氧原子得电子,形成负电中?#27169;?#25110;者说使其具有足够的路易斯碱强度),吸引二氧化碳中位于正电中心附近的碳原子,使醌?#20154;?#21270;,捕获二氧化碳。由于氮气和氧气都不具备这样的路易斯酸强度,所以?#20174;?#26377;很好的选择性。充电电压越高,氧原子被极化得越明显,?#20174;?#36895;率越快,但能?#20811;?#22833;更大,因此从能量的角度,应该使充电电压?#28304;?#20110;?#20174;?#38656;要的电压,在纯氮气条件下大约是1.21V左右,随二氧化碳浓度变化。


这项技术的特点和难点在于电极材料的选择和制作。首先,需要能选择性捕获二氧化碳;其次,电极表面需要较大的表面积,增加?#20174;?#36895;率,这对于从低浓度的二氧化碳源中捕获二氧化碳?#20219;?#37325;要;最后,还需要良好的导电性,这一点通过聚蒽醌中的离域π键得以实现。


成本和储能密度方面,作者没有过多提及。?#36824;?#21487;以猜的是,这项技术的经济性会好于原有的技术。一方面,电极没有用到稀有金属,所使用的蒽醌和二茂铁也都实现了人工合成,成本不会太高。另一方面,这项技术既可以用于碳交易,用于电力负荷的削峰填谷,?#20174;?#36807;程不需要加热或加压,也节省了大量能?#32431;?#25903;,捕获的二氧化碳还可用于生产尿素等工业产品。?#36824;?#20854;储能密度应该不大。一方面,部分空间需要留作气道,增加了装置的体积,另一方面,真正发生?#20174;?#30340;只有表面的一层聚蒽醌,能储存的电量有限。由于捕获二氧化碳终究需要能量,其单次循环效率不高。?#36824;?#36825;项技术最初就是作为碳捕获技术而研究,其储能的特性可以作为锦上添花。


目前,研究团队已经成立了一家名为Verdox的公司,以实现?#20302;?#30340;商业化运转。


第四届动力电池应用国际峰会CBIS2019

稿件来源: 交能网
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