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０１

什么是碳空氣蓄電池系統(tǒng)？

東京工業(yè)大學于2021年12月宣布將開發(fā)碳空氣蓄電池系統(tǒng)。區(qū)別于儲氫蓄電，利用儲碳技術(shù)研發(fā)大容量蓄電池系統(tǒng)。東京工業(yè)大學材料科學與工程學院應(yīng)用化學系三年級博士生龜田惠佑和伊原學教授提出了一個碳/空氣二次電池（CASB）系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過電解二氧化碳（CO2）儲存碳（C），并利用空氣中的碳和氧氣（O2）發(fā)電。盡管之前已經(jīng)報道了關(guān)于電解二氧化碳和利用碳和氧氣發(fā)電的研究，但這是第一次開發(fā)出將這兩者結(jié)合起來的系統(tǒng)。

這次研究開發(fā)的CASB系統(tǒng)，與原本作為可再生能源大規(guī)模部署所需的高容量存儲技術(shù)氫氣/水-動力-氣體-動力（H2/H2O-P2G2P）相比，理論體積能量密度為1,625 Wh/L，遠高于壓縮氫氣（379 Wh/L，20 MPa），且在整體反應(yīng)C+O2?CO2的基礎(chǔ)上，其理論放電效率[為100%。獨立控制儲能系統(tǒng)的輸出和存儲容量的能力使其成為有前途的下一代高容量儲能系統(tǒng)。該系統(tǒng)的另一個特點是，它不會排放二氧化碳，因為排放過程中產(chǎn)生的二氧化碳被儲存起來。在使用固體氧化物燃料電池/電解電池（SOFC/EC）的充放電實驗中，實現(xiàn)了84%的庫倫效率和38%的充放電效率。它幾乎不排放熱量，使其易于建造，因為它不需要熱交換器。不過，氫氣儲存電池系統(tǒng)只需要一個氫氣罐，而碳空氣儲存電池系統(tǒng)需要儲存碳和二氧化碳的罐子。

０２

研究背景

對于此次實驗的構(gòu)想，伊原學教授表示，用鋰離子電池和氫氣儲存來作為儲存可再生能源這一類的研究在穩(wěn)步進行中，但在可再生能源儲能系統(tǒng)的開發(fā)上，他們需要有更多方案，因此他們朝著研究增加儲存效率和設(shè)備小型化的方向進行了此次的實驗。

眾所周知，可再生能源正在逐步進入能源系統(tǒng)，但如何處理電力供需之間的平衡是一個無法忽視的大問題。換句話說，受天氣和其他條件的影響，太陽能和風能的發(fā)電量并不穩(wěn)定，所以人們擔心會出現(xiàn)對于現(xiàn)階段需求而言過剩的發(fā)電量，或者在需要大量電力時出現(xiàn)發(fā)電量不足的情況。這就需要大容量的儲能技術(shù)來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。


在開發(fā)高容量儲能技術(shù)和設(shè)計設(shè)備時，有許多要點需要考慮。例如，在盡可能小型的設(shè)施中確保盡可能多地儲存能量。確保充電或放電時沒有能量損失（充電/放電效率）也很重要。 在開發(fā)和引進儲能技術(shù)的過程中，還考慮了其他因素，如低充電和放電時間以及提高能量提取率。在許多可用的技術(shù)中，近年來使用氫氣作為充電和放電方法備受矚目。通過將水電解成氫氣，電力可以以氫氣的形式儲存，然后可以用來發(fā)電。

盡管H2/H2O-P2G2P的優(yōu)點是存儲容量和功率輸出可以獨立設(shè)置，但與氫的氧化有關(guān)的反應(yīng)會導(dǎo)致巨大熵變和水的蒸發(fā)潛熱，導(dǎo)致充/放電效率低。此外，氣體的體積比固體的大，每體積的能量密度較低，這意味著氣體需要更多的空間來儲存。雖然已經(jīng)開展了提高H2/H2O-P2G2P效率和使設(shè)備小型化的研究，伊原學教授表示，開發(fā)和研究具有更高性能的充電和放電方法也同樣重要，他們一直特別關(guān)注使用碳（C）的方法，并經(jīng)開發(fā)了可充電的直接碳燃料電池（RDCFC），它以碳為燃料，通過碳氫化合物的熱解提供碳，反復(fù)發(fā)電。在這項研究中，他們重點使用了氧化還原反應(yīng)C+O2?CO2，它具有較高的能量密度和低于2 kJ/mol的低熵變化。具體來說，利用二氧化碳的電解反應(yīng)和Boudouard反應(yīng)之間的熱化學平衡沉積碳，通過 RDCFC的充電和放電的反應(yīng)發(fā)電。

０３

研究成果以及未來展望

【充電（CO2電氣分解）時】

二氧化碳以液態(tài)儲存，并在充電時被汽化。 二氧化碳以液態(tài)形式儲存，并在充電時被汽化。 一氧化碳（CO）的分壓在充電時間內(nèi)增加，Boudouard反應(yīng)下的熱平衡反應(yīng)（2CO?C+CO2）被用來沉積碳。

【放電（發(fā)電）】

利用系統(tǒng)內(nèi)部儲存的碳和送入系統(tǒng)的空氣中的氧氣進行反應(yīng)，從而產(chǎn)生電力。在這個過程中產(chǎn)生的二氧化碳再次以液體形式儲存起來，形成一個充電-放電循環(huán)。 因此，在CASB系統(tǒng)的充電和放電過程中，沒有二氧化碳排放。


如下圖所示，各蓄電技術(shù)的體積及重量基準下能量密度和功率密度的關(guān)系。CASB系統(tǒng)的理論體積能量密度為1625Wh/L，理論重力能量為2500Wh/kg。由于CASB系統(tǒng)是作為一個固定的儲能系統(tǒng)，所以體積能量密度是更重要的指標。由于CASB系統(tǒng)旨在成為一個固定的儲能系統(tǒng)，體積能量密度是一個更重要的指標，預(yù)計CASB系統(tǒng)的體積能量密度將高于壓縮氫氣（理論體積能量密度379Wh/L，20MPa）和鋰離子電池。 與H2/H2O-P2G2P一樣，CASB系統(tǒng)也有望被用作高容量的能量儲存系統(tǒng)，這是由于儲存的碳和二氧化碳的容量（=儲存容量）和燃料電池/電解電池的輸出可以獨立設(shè)置。


下圖顯示了CASB系統(tǒng)的充電/放電特性和性能：在這個使用SOFC/EC的實驗中，該系統(tǒng)是世界上第一個在800℃和100mA/cm2的條件下成功完成10個充電/放電循環(huán)而沒有電極退化的系統(tǒng)。 結(jié)果，實現(xiàn)了84%的庫侖效率、38%的充放電效率和80 mW/cm2的功率密度。


這次研究中成功驗證了CASB系統(tǒng)的充放電效率為38%，與近似的H2/H2O-P2G2P充放電效率（20%-54%）相當。 該項目研究小組未來將對該系統(tǒng)進行進一步的改進和開發(fā)，以應(yīng)對在實際使用中所需的更高效率。為了提高效率，有必要開發(fā)具有高效的碳利用和低過電壓的電極，即使在碳沉積的情況下。為了實現(xiàn)CASB系統(tǒng)，有必要研究整個系統(tǒng)的充電和放電過程，這將使體積能量密度和充放電效率更高。伊原教表示，目前還有很多工作要做，包括開發(fā)適合碳空氣儲能電池系統(tǒng)的低過電壓（損耗）的電極材料，以及研究充電和放電過程以提高效率。盡管現(xiàn)在他們正在獨立進行這項研究，但該技術(shù)的實際應(yīng)用的時間將取決于有多少參與者參與進來。 

原標題：碳空氣蓄電池--東京工業(yè)大學開發(fā)新模式電池系統(tǒng)