中國(guó)粉體網(wǎng)訊  2022年6月，意大利儲(chǔ)能公司Energy Dome啟用了其首個(gè)電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能工廠。利用其獨(dú)特的CO₂電池可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存可再生能源，并能做到快速釋放，成本不到大型鋰電池的一半。

Energy Dome的CO₂儲(chǔ)能系統(tǒng)（來(lái)源：Energy Dome）

Energy Dome的CO₂電池是一個(gè)封閉系統(tǒng)，它使用巨大的穹頂，里面有充滿CO₂氣體的巨大、靈活的氣囊。它使用可再生能源來(lái)運(yùn)行電動(dòng)壓縮機(jī)，將CO₂氣體壓縮，直至凝結(jié)成液體，然后在環(huán)境溫度下儲(chǔ)存，這個(gè)過(guò)程相當(dāng)于為電池充電。壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量被捕獲并儲(chǔ)存。

當(dāng)需要能量時(shí)，上述儲(chǔ)存的熱量被用來(lái)蒸發(fā)液態(tài)CO₂，然后變成氣體，氣體驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電。

CO₂能源化利用

CCUS，即CO₂捕集、利用與封存技術(shù)，受限于以往CCS技術(shù)高能耗、高成本的缺陷，CCUS技術(shù)在CCS技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)二氧化碳的綜合利用。隨著可再生電能的不斷發(fā)展，圍繞“CO₂能源化利用”的電化學(xué)技術(shù)不斷萌生，CO₂的能源化利用似乎恰好提供了一個(gè)更具前景的CO₂減排利用方案。

CO₂能源化利用技術(shù)發(fā)展概況（來(lái)源：謝和平等，《CO₂的能源化利用技術(shù)進(jìn)展與展望》）

嚴(yán)格意義上講，“CO₂能源化利用”應(yīng)指能量來(lái)源于CO₂自身的物理或化學(xué)變化，如上述Energy Dome的CO₂電池。但隨著儲(chǔ)能技術(shù)與CO₂減排技術(shù)的交叉融合，這一概念的邊界在不斷拓寬，目前可歸為三大類：耦合儲(chǔ)能的CO₂電池技術(shù)、回收能量的CO₂電容器/電池技術(shù)和深度發(fā)電的CO₂礦化電池技術(shù)。

耦合儲(chǔ)能的CO₂電池技術(shù)

“CO₂發(fā)電”這一概念源于20世紀(jì)40年代Sulzer等提出的超臨界CO₂發(fā)電技術(shù)。利用超臨界CO₂良好的物理特性將熱能儲(chǔ)存，并轉(zhuǎn)化為機(jī)械功從而產(chǎn)出電能。該技術(shù)是將超臨界CO₂作為一種循環(huán)工質(zhì)，拉開(kāi)了CO₂能源化利用的序幕。

在進(jìn)一步的發(fā)展中，金屬–CO₂（Me-CO₂）電池為儲(chǔ)能耦合的CO₂能源化利用提出新的思路。其結(jié)合了先進(jìn)儲(chǔ)能和有效固定CO₂的雙重特性，被視為下一代能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存以及CO₂捕獲和利用器件的潛在候選者。

Me-CO₂電池利用CO₂氣體作為反應(yīng)物質(zhì)，降低了電池的整體質(zhì)量，使得電池具有非常高的理論比能量。目前Me-CO₂電池的研究集中在Li-CO₂電池、Na-CO₂電池、Al-CO₂電池、Zn-CO₂電池、K-CO₂電池等，尤其是Li-CO₂電池的研究和開(kāi)發(fā)已取得明顯的進(jìn)展。

Li−CO₂電池（來(lái)源：謝和平等，《CO₂的能源化利用技術(shù)進(jìn)展與展望》）

目前，Li-CO₂電池的研究集中在幾個(gè)方面：①陰極催化劑。催化劑對(duì)于電池性能的提高起到了顯著的作用，但至今仍沒(méi)有一種催化劑能全部滿足導(dǎo)電性良好、結(jié)構(gòu)優(yōu)異、催化活性高、價(jià)格低廉的要求；②固態(tài)電解質(zhì)。為了進(jìn)一步提高電池的性能和安全性，Li-CO₂電池中固態(tài)電解質(zhì)的研究也取得了很大的進(jìn)步，但在提高離子導(dǎo)電性、降低界面電阻和提高結(jié)構(gòu)性能等方面還有待突破；③陽(yáng)極鋰保護(hù)。雖然使用固態(tài)電解質(zhì)可以進(jìn)行鋰保護(hù)，但并不能高效消除鋰枝晶的影響。鋰保護(hù)對(duì)提升電池循環(huán)性能發(fā)揮了顯著的作用，這也將是以后發(fā)展的方向。

盡管Li-CO₂電池領(lǐng)域仍存在許多科學(xué)和技術(shù)挑戰(zhàn)，但在越來(lái)越多的研究人員不斷努力下，這蘊(yùn)含巨大潛力的電化學(xué)技術(shù)將獲得廣闊的應(yīng)用前景。

回收能量的CO₂電容器/電池技術(shù)

回收能量的CO₂電容器／電池技術(shù)基于打破CO₂解離平衡的電容器或CO₂再生胺基電池技術(shù)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)能量回收。

Li等基于Cu－胺絡(luò)合反應(yīng)提出了新型CO₂再生胺基電池技術(shù)，如下圖所示。電功率密度可以達(dá)到32W/m²，但在此項(xiàng)技術(shù)中，CO₂的形態(tài)并未發(fā)生變化，更像是一種節(jié)能技術(shù)或CO₂提純技術(shù)。

CO₂再生胺基電池（來(lái)源：Li Kangkang,et al.CO₂ regenerative battery for energy harvesting from ammonia-based post-combustion CO₂ capture）

深度發(fā)電的CO₂礦化電池技術(shù)

根據(jù)CO₂礦化反應(yīng)（或碳酸化）熱力學(xué)吉布斯自由能降低這一特征（ΔG<0），四川大學(xué)的謝和平團(tuán)隊(duì)于2014年提出一種CO₂礦化發(fā)電的原理和技術(shù)路線（目前已發(fā)展到第三代），將CO₂作為一種潛在的能源和資源，實(shí)現(xiàn)了將CO₂礦化反應(yīng)化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能輸出的CO₂減排新途徑。

第三代CO₂礦化電池原理（來(lái)源：謝和平等，《CO₂的能源化利用技術(shù)進(jìn)展與展望》）

CO₂礦化電池本質(zhì)上是酸性氣體CO₂和堿性固廢形成的H⁺濃差電池。以自然界生物體內(nèi)高效質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)（PCET）驅(qū)動(dòng)的第三代CO₂礦化電池在試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了電池最大產(chǎn)電功率密度96.75W/m²的技術(shù)突破。

小結(jié)

在“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)和碳稅、碳交易等產(chǎn)業(yè)政策的約束下，CO₂減排研究正在被推至新高潮，技術(shù)成果轉(zhuǎn)化也在顯著加速。越來(lái)越多的研究強(qiáng)調(diào)CO₂本身是一種資源，特定情況下也是一種能源。

CO₂能源化利用作為新的CO₂利用策略， 所涉及的CO₂儲(chǔ)能、能量回收、深度發(fā)電三大電池技術(shù)方向的突破都將有助于加快實(shí)現(xiàn)低成本CCUS技術(shù)體系，推動(dòng)碳減排產(chǎn)業(yè)發(fā)展，助力中國(guó)“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的發(fā)展，形成世界CO₂能源化利用的中國(guó)路徑。

參考資料：

科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)

1、謝和平等，《CO₂的能源化利用技術(shù)進(jìn)展與展望》

2、徐昌藩等，《金屬-二氧化碳電池的發(fā)展：機(jī)理及關(guān)鍵材料》

3、顧洋等，《鋰-二氧化碳電池關(guān)鍵材料的研究進(jìn)展》

4、劉永強(qiáng)等，《淺談二氧化碳減排技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展》

5、Li Kangkang,et al.CO₂ regenerative battery for energy harvesting from ammonia-based post-combustion CO2 capture

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）

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