出品：科普中國

作者：海裏的鹹魚（中國科學院長春光機所光學碩士）

監製：中國科普博覽

在這個(ge) 日益變化的世界中，我們(men) 麵臨(lin) 著一個(ge) 無法回避的問題——能源。能源是推動我們(men) 社會(hui) 發展的基礎，是現代生活的基石。

早在遠古時期，人類在勞動中學會(hui) 保留並使用火種，掀起了第一次能源革命，人類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景。

18世紀70年代，世界上第一台以煤炭作為(wei) 燃料的蒸汽機出現了，第二次工業(ye) 革命使人類進入了蒸汽時代，燒煤炭的蒸汽火車大大增加了人類的運輸能力。

隨著電磁學的發展，人們(men) 先後製成了有實用價(jia) 值的發電機與(yu) 電動機，便於(yu) 傳(chuan) 輸與(yu) 使用的電力取代了內(nei) 燃機，標誌著人類第三次能源革命的到來。現在烤肉可以用電烤爐了，坐火車則有電驅動的高鐵。

然而，傳(chuan) 統的化石燃料能源並不是無限的，而且其使用過程中產(chan) 生的汙染和溫室氣體(ti) 排放對我們(men) 的環境造成了影響。這就使得新能源的發展變得尤為(wei) 重要和迫切。

新能源，減少化石能源依賴

全球氣候變化已經成為(wei) 人類發展的最大挑戰之一，極大促進了全球應對氣候變化的政治共識和重大行動。全球氣候變化對全球人類社會(hui) 構成重大威脅。

政府間氣候變化專(zhuan) 門委員會(hui) (IPCC)2018年10月的報告認為(wei) ,為(wei) 了避免極端危害，世界必須將全球變暖幅度控製在1.5℃以內(nei) 。隻有全球都在21世紀中葉實現溫室氣體(ti) 淨零排放，才有可能實現這一目標。為(wei) 了實現溫室氣體(ti) 零排放的目標，尋找並發展環境友好的替代能源則是發展的重中之重，其中我們(men) 非常熟悉的光伏發電以及風力發電就是良好的替代能源。

目前，我國集中式光伏發電和風力發電都已排名世界第一，但是兩(liang) 個(ge) 發電方式都存在不穩定性，沒有辦法直接並入電網使用。電網分為(wei) 發電端和用電端，用電端需要多少功率的電，發電端就得實時調整發電的功率。火電站可以通過調整燃料的燃燒量來控製發電功率，而光伏發電和風力發電的發電功率是由自然條件決(jue) 定的。

到了晚上，照明用電需求增多，但光伏發電卻不能用了。對風力發電來說，自然界風力忽大忽小也會(hui) 導致發電的功率飄忽不定，這導致了電能的浪費。

儲(chu) 能技術的出現，是實現可再生能源高效利用的絕佳推手。

（圖片來源：作者自製）

把電力比作水的話，發電端相當於(yu) 一個(ge) 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滿足用水管道的流量需求，這時候，儲(chu) 能技術充當了蓄水池的角色。將一定的電量通過儲(chu) 能技術存起來，這樣可以將發電端的多餘(yu) 發電量儲(chu) 存起來，在發電不足時滿足用電端的需求。

相比於(yu) 抽水蓄能電站、壓縮空氣儲(chu) 能站、電解水製氫儲(chu) 能而言，電化學儲(chu) 能技術不受地質、地形、環境的限製，可以直接對電能進行儲(chu) 存與(yu) 釋放，極具行業(ye) 前景。

目前電化學儲(chu) 能行業(ye) ，鋰電池占據了市場主導地位，但由於(yu) 鋰離子電池在使用過程中鋰枝晶生長問題尚未解決(jue) （鋰離子電池使用過程中，會(hui) 在負極產(chan) 生金屬鋰累積而成的樹枝狀金屬，這會(hui) 降低電池性能，嚴(yan) 重時可能造成電池短路，燃燒或爆炸），規模化應用存在很高的安全風險。

一舉(ju) 兩(liang) 得，可以吸收二氧化碳的儲(chu) 能電池

為(wei) 了解決(jue) 現有電池的各類缺陷，研究人員可謂絞勁腦汁，力求獲得一種性能高效還環保安全的“優(you) 秀”電池。接下來，隆重介紹一款極其環保，在儲(chu) 能過程中還不忘順帶吸收二氧化碳，助力碳中和的儲(chu) 能電池——水係有機液流電池。

（圖片來源：參考文獻1）

水係有機液流電池的模型如上圖，包括儲(chu) 罐、電解液、循環管道、循環泵、電極板、集流體(ti) 、隔膜等組件。這種電池通過溶解在水中有機物的化學反應來儲(chu) 存或釋放能量。

正負極電解液是具有可逆的電化學氧化還原能力的有機物分子(即電活性有機物分子),並分別儲(chu) 存於(yu) 兩(liang) 個(ge) 儲(chu) 罐之中。電解液在循環泵的驅動下經由循環管道輸送到電極表麵發生電化學氧化還原反應,實現能量的儲(chu) 存或釋放。

電極板、集流體(ti) 和隔膜則構成了電池的主體(ti) 部分。電極板通常選用帶有流槽的高密度石墨板,同時起到電子通路和流體(ti) 通路的作用。集流體(ti) 是電活性有機物分子發生氧化還原反應的場所,往往選用高比表麵積的導電材料,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(wei) 了在有效抑製電活性有機物分子的交叉同時允許H+、Na+、K+、Cl-等帶電離子通過以平衡電荷,一般利用陽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。

西湖大學的王盼團隊與(yu) 美國哈佛大學、中國科學院大學研發團隊合作，開發了一類基於(yu) 吩嗪(fēn qín)衍生物的水溶性有機儲(chu) 能小分子，並提出在水係有機液流電池充放電過程中實現電化學碳捕獲一體(ti) 化的方法。

（圖片來源：參考文獻2）

這類電池在充電過程中，電解液中的每個(ge) 儲(chu) 能分子在存儲(chu) 電力的同時，本來是中性的電解液環境轉換成了易於(yu) 溶解二氧化碳的堿性環境，該環境能夠高效溶解空氣中的二氧化碳。

（圖片來源：參考文獻2）

而在放電過程中，儲(chu) 能分子在釋放電力的同時使得堿性環境轉為(wei) 酸性環境，二氧化碳在酸性環境中溶解性小，便逃離電解液再度變為(wei) 氣體(ti) ，從(cong) 而被收集起來。

電池的充放電，導致電解液的酸堿性產(chan) 生了“搖擺”，科學家利用這一特性來捕獲與(yu) 收集空氣中的二氧化碳。研究團隊做實驗發現，在曆經200個(ge) 循環後，電池的效率依然很高，經過仿真計算發現,這種電池的效率在一眾(zhong) 新型電池中也不遜色，這一成果發表在了《自然·能源》期刊上。

結語

人類從(cong) 古代依靠柴火中植物固定的生物質能來加熱事物取暖，到利用能量密度更高的石油與(yu) 煤炭，再到當前可以直接將太陽能、風能乃至原子能轉化為(wei) 方便傳(chuan) 輸的電能，供應千家萬(wan) 戶使用。我們(men) 對能量的使用需求越來越大，但對環境造成的影響也越來越不可忽視。研發高效、環保又安全的能量收集與(yu) 儲(chu) 存裝置，是人類可持續發展所必須跨越的技術難關(guan) 。

參考文獻：

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