出品：科普中國

作者：海里的咸魚(yú)（中國科學(xué)院長(cháng)春光機所光學(xué)碩士）

監制：中國科普博覽

在這個(gè)日益變化的世界中，我們面臨著(zhù)一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題——能源。能源是推動(dòng)我們社會(huì )發(fā)展的基礎，是現代生活的基石。

早在遠古時(shí)期，人類(lèi)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(lèi)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(chǎng)景。

18世紀70年代，世界上第一臺以煤炭作為燃料的蒸汽機出現了，第二次工業(yè)革命使人類(lèi)進(jìn)入了蒸汽時(shí)代，燒煤炭的蒸汽火車(chē)大大增加了人類(lèi)的運輸能力。

隨著(zhù)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)電機與電動(dòng)機，便于傳輸與使用的電力取代了內燃機，標志著(zhù)人類(lèi)第三次能源革命的到來(lái)?，F在烤肉可以用電烤爐了，坐火車(chē)則有電驅動(dòng)的高鐵。

然而，傳統的化石燃料能源并不是無(wú)限的，而且其使用過(guò)程中產(chǎn)生的污染和溫室氣體排放對我們的環(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(lài)

全球氣候變化已經(jīng)成為人類(lèi)發(fā)展的最大挑戰之一，極大促進(jìn)了全球應對氣候變化的政治共識和重大行動(dòng)。全球氣候變化對全球人類(lèi)社會(huì )構成重大威脅。

政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )(IPCC)2018年10月的報告認為,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?xún)?。只有全球都?1世紀中葉實(shí)現溫室氣體凈零排放，才有可能實(shí)現這一目標。為了實(shí)現溫室氣體零排放的目標，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)電方式都存在不穩定性，沒(méi)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)調整發(fā)電的功率?；痣娬究梢酝ㄟ^(guò)調整燃料的燃燒量來(lái)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。對風(fēng)力發(fā)電來(lái)說(shuō)，自然界風(fēng)力忽大忽小也會(huì )導致發(fā)電的功率飄忽不定，這導致了電能的浪費。

儲能技術(shù)的出現，是實(shí)現可再生能源高效利用的絕佳推手。

（圖片來(lái)源：作者自制）

把電力比作水的話(huà)，發(fā)電端相當于一個(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(mǎn)足用水管道的流量需求，這時(shí)候，儲能技術(shù)充當了蓄水池的角色。將一定的電量通過(guò)儲能技術(shù)存起來(lái)，這樣可以將發(fā)電端的多余發(fā)電量?jì)Υ嫫饋?lái)，在發(fā)電不足時(shí)滿(mǎn)足用電端的需求。

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

目前電化學(xué)儲能行業(yè)，鋰電池占據了市場(chǎng)主導地位，但由于鋰離子電池在使用過(guò)程中鋰枝晶生長(cháng)問(wèn)題尚未解決（鋰離子電池使用過(guò)程中，會(huì )在負極產(chǎn)生金屬鋰累積而成的樹(shù)枝狀金屬，這會(huì )降低電池性能，嚴重時(shí)可能造成電池短路，燃燒或爆炸），規?；瘧么嬖诤芨叩陌踩L(fēng)險。

一舉兩得，可以吸收二氧化碳的儲能電池

為了解決現有電池的各類(lèi)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(lái)，隆重介紹一款極其環(huán)保，在儲能過(guò)程中還不忘順帶吸收二氧化碳，助力碳中和的儲能電池——水系有機液流電池。

（圖片來(lái)源：參考文獻1）

水系有機液流電池的模型如上圖，包括儲罐、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(guò)溶解在水中有機物的化學(xué)反應來(lái)儲存或釋放能量。

正負極電解液是具有可逆的電化學(xué)氧化還原能力的有機物分子(即電活性有機物分子),并分別儲存于兩個(gè)儲罐之中。電解液在循環(huán)泵的驅動(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,實(shí)現能量的儲存或釋放。

電極板、集流體和隔膜則構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物分子發(fā)生氧化還原反應的場(chǎng)所,往往選用高比表面積的導電材料,比如碳氈、石墨氈、柔性碳布或者碳紙。隔膜起到分隔正負極的作用,為了在有效抑制電活性有機物分子的交叉同時(shí)允許H+、Na+、K+、Cl-等帶電離子通過(guò)以平衡電荷,一般利用陽(yáng)離子交換膜適配帶負電荷有機物和陰離子交換膜適配帶正電荷有機物。

西湖大學(xué)的王盼團隊與美國哈佛大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)研發(fā)團隊合作，開(kāi)發(fā)了一類(lèi)基于吩嗪(fēn qín)衍生物的水溶性有機儲能小分子，并提出在水系有機液流電池充放電過(guò)程中實(shí)現電化學(xué)碳捕獲一體化的方法。

（圖片來(lái)源：參考文獻2）

這類(lèi)電池在充電過(guò)程中，電解液中的每個(gè)儲能分子在存儲電力的同時(shí)，本來(lái)是中性的電解液環(huán)境轉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(lái)源：參考文獻2）

而在放電過(guò)程中，儲能分子在釋放電力的同時(shí)使得堿性環(huán)境轉為酸性環(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(lái)。

電池的充放電，導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(lái)捕獲與收集空氣中的二氧化碳。研究團隊做實(shí)驗發(fā)現，在歷經(jīng)200個(gè)循環(huán)后，電池的效率依然很高，經(jīng)過(guò)仿真計算發(fā)現,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。

結語(yǔ)

人類(lèi)從古代依靠柴火中植物固定的生物質(zhì)能來(lái)加熱事物取暖，到利用能量密度更高的石油與煤炭，再到當前可以直接將太陽(yáng)能、風(fēng)能乃至原子能轉化為方便傳輸的電能，供應千家萬(wàn)戶(hù)使用。我們對能量的使用需求越來(lái)越大，但對環(huán)境造成的影響也越來(lái)越不可忽視。研發(fā)高效、環(huán)保又安全的能量收集與儲存裝置，是人類(lèi)可持續發(fā)展所必須跨越的技術(shù)難關(guān)。

參考文獻：

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