中國粉體網訊 2022年6月，意大利儲能公司Energy Dome啟用了其首個電網級儲能工廠。利用其獨特的CO2電池可以長期儲存可再生能源，并能做到快速釋放，成本不到大型鋰電池的一半。
Energy Dome的CO2儲能系統(tǒng)（來源：Energy Dome）
Energy Dome的CO2電池是一個封閉系統(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運行電動壓縮機，將CO2氣體壓縮，直至凝結成液體，然后在環(huán)境溫度下儲存，這個過程相當于為電池充電。壓縮過程產生的熱量被捕獲并儲存。
當需要能量時，上述儲存的熱量被用來蒸發(fā)液態(tài)CO2，然后變成氣體，氣體驅動渦輪發(fā)電。
CO2能源化利用
CCUS，即CO2捕集、利用與封存技術，受限于以往CCS技術高能耗、高成本的缺陷，CCUS技術在CCS技術的基礎上實現(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”的電化學技術不斷萌生，CO2的能源化利用似乎恰好提供了一個更具前景的CO2減排利用方案。
CO2能源化利用技術發(fā)展概況（來源：謝和平等，《CO2的能源化利用技術進展與展望》）
嚴格意義上講，“CO2能源化利用”應指能量來源于CO2自身的物理或化學變化，如上述Energy Dome的CO2電池。但隨著儲能技術與CO2減排技術的交叉融合，這一概念的邊界在不斷拓寬，目前可歸為三大類：耦合儲能的CO2電池技術、回收能量的CO2電容器/電池技術和深度發(fā)電的CO2礦化電池技術。
耦合儲能的CO2電池技術
“CO2發(fā)電”這一概念源于20世紀40年代Sulzer等提出的超臨界CO2發(fā)電技術。利用超臨界CO2良好的物理特性將熱能儲存，并轉化為機械功從而產出電能。該技術是將超臨界CO2作為一種循環(huán)工質，拉開了CO2能源化利用的序幕。
在進一步的發(fā)展中，金屬–CO2（Me-CO2）電池為儲能耦合的CO2能源化利用提出新的思路。其結合了先進儲能和有效固定CO2的雙重特性，被視為下一代能源轉換和儲存以及CO2捕獲和利用器件的潛在候選者。
Me-CO2電池利用CO2氣體作為反應物質，降低了電池的整體質量，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電池的研究和開發(fā)已取得明顯的進展。
Li−CO2電池（來源：謝和平等，《CO2的能源化利用技術進展與展望》）
目前，Li-CO2電池的研究集中在幾個方面：①陰極催化劑。催化劑對于電池性能的提高起到了顯著的作用，但至今仍沒有一種催化劑能全部滿足導電性良好、結構優(yōu)異、催化活性高、價格低廉的要求；②固態(tài)電解質。為了進一步提高電池的性能和安全性，Li-CO2電池中固態(tài)電解質的研究也取得了很大的進步，但在提高離子導電性、降低界面電阻和提高結構性能等方面還有待突破；③陽極鋰保護。雖然使用固態(tài)電解質可以進行鋰保護，但并不能高效消除鋰枝晶的影響。鋰保護對提升電池循環(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電池領域仍存在許多科學和技術挑戰(zhàn)，但在越來越多的研究人員不斷努力下，這蘊含巨大潛力的電化學技術將獲得廣闊的應用前景。
回收能量的CO2電容器/電池技術
回收能量的CO2電容器／電池技術基于打破CO2解離平衡的電容器或CO2再生胺基電池技術原理來實現(xiàn)能量回收。
Li等基于Cu－胺絡合反應提出了新型CO2再生胺基電池技術，如下圖所示。電功率密度可以達到32W/m2，但在此項技術中，CO2的形態(tài)并未發(fā)生變化，更像是一種節(jié)能技術或CO2提純技術。
CO2再生胺基電池（來源：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
根據(jù)CO2礦化反應（或碳酸化）熱力學吉布斯自由能降低這一特征（ΔG<0），四川大學的謝和平團隊于2014年提出一種CO2礦化發(fā)電的原理和技術路線（目前已發(fā)展到第三代），將CO2作為一種潛在的能源和資源，實現(xiàn)了將CO2礦化反應化學能直接轉化為電能輸出的CO2減排新途徑。
第三代CO2礦化電池原理（來源：謝和平等，《CO2的能源化利用技術進展與展望》）
CO2礦化電池本質上是酸性氣體CO2和堿性固廢形成的H+濃差電池。以自然界生物體內高效質子耦合電子轉移反應（PCET）驅動的第三代CO2礦化電池在試驗中實現(xiàn)了電池最大產電功率密度96.75W/m2的技術突破。
小結
在“碳達峰”、“碳中和”目標和碳稅、碳交易等產業(yè)政策的約束下，CO2減排研究正在被推至新高潮，技術成果轉化也在顯著加速。越來越多的研究強調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儲能、能量回收、深度發(fā)電三大電池技術方向的突破都將有助于加快實現(xiàn)低成本CCUS技術體系，推動碳減排產業(yè)發(fā)展，助力中國“碳中和”戰(zhàn)略目標的發(fā)展，形成世界CO2能源化利用的中國路徑。
參考資料：
科創(chuàng)板日報
1、謝和平等，《CO2的能源化利用技術進展與展望》
2、徐昌藩等，《金屬-二氧化碳電池的發(fā)展：機理及關鍵材料》
3、顧洋等，《鋰-二氧化碳電池關鍵材料的研究進展》
4、劉永強等，《淺談二氧化碳減排技術現(xiàn)狀及研究進展》
5、Li Kangkang,et al.CO2 regenerative battery for energy harvesting from ammonia-based post-combustion CO2 capture
（中國粉體網編輯整理/長安）
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