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什么是碳空气蓄电池系统？

东京工业大学于2021年12月宣布将开发碳空气蓄电池系统。区别于储氢蓄电，利用储碳技术研发大容量蓄电池系统。东京工业大学材料科学与工程学院应用化学系三年级博士生龟田惠佑和伊原学教授提出了一个碳/空气二次电池（CASB）系统，该系统通过电解二氧化碳（CO2）储存碳（C），并利用空气中的碳和氧气（O2）发电。尽管之前已经报道了关于电解二氧化碳和利用碳和氧气发电的研究，但这是第一次开发出将这两者结合起来的系统。

这次研究开发的CASB系统，与原本作为可再生能源大规模部署所需的高容量存储技术氢气/水-动力-气体-动力（H2/H2O-P2G2P）相比，理论体积能量密度为1,625 Wh/L，远高于压缩氢气（379 Wh/L，20 MPa），且在整体反应C+O2⇆CO2的基础上，其理论放电效率[为100%。独立控制储能系统的输出和存储容量的能力使其成为有前途的下一代高容量储能系统。该系统的另一个特点是，它不会排放二氧化碳，因为排放过程中产生的二氧化碳被储存起来。在使用固体氧化物燃料电池/电解电池（SOFC/EC）的充放电实验中，实现了84%的库伦效率和38%的充放电效率。它几乎不排放热量，使其易于建造，因为它不需要热交换器。不过，氢气储存电池系统只需要一个氢气罐，而碳空气储存电池系统需要储存碳和二氧化碳的罐子。

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研究背景

对于此次实验的构想，伊原学教授表示，用锂离子电池和氢气储存来作为储存可再生能源这一类的研究在稳步进行中，但在可再生能源储能系统的开发上，他们需要有更多方案，因此他们朝着研究增加储存效率和设备小型化的方向进行了此次的实验。

众所周知，可再生能源正在逐步进入能源系统，但如何处理电力供需之间的平衡是一个无法忽视的大问题。换句话说，受天气和其他条件的影响，太阳能和风能的发电量并不稳定，所以人们担心会出现对于现阶段需求而言过剩的发电量，或者在需要大量电力时出现发电量不足的情况。这就需要大容量的储能技术来应对这一挑战。


在开发高容量储能技术和设计设备时，有许多要点需要考虑。例如，在尽可能小型的设施中确保尽可能多地储存能量。确保充电或放电时没有能量损失（充电/放电效率）也很重要。 在开发和引进储能技术的过程中，还考虑了其他因素，如低充电和放电时间以及提高能量提取率。在许多可用的技术中，近年来使用氢气作为充电和放电方法备受瞩目。通过将水电解成氢气，电力可以以氢气的形式储存，然后可以用来发电。

尽管H2/H2O-P2G2P的优点是存储容量和功率输出可以独立设置，但与氢的氧化有关的反应会导致巨大熵变和水的蒸发潜热，导致充/放电效率低。此外，气体的体积比固体的大，每体积的能量密度较低，这意味着气体需要更多的空间来储存。虽然已经开展了提高H2/H2O-P2G2P效率和使设备小型化的研究，伊原学教授表示，开发和研究具有更高性能的充电和放电方法也同样重要，他们一直特别关注使用碳（C）的方法，并经开发了可充电的直接碳燃料电池（RDCFC），它以碳为燃料，通过碳氢化合物的热解提供碳，反复发电。在这项研究中，他们重点使用了氧化还原反应C+O2⇄CO2，它具有较高的能量密度和低于2 kJ/mol的低熵变化。具体来说，利用二氧化碳的电解反应和Boudouard反应之间的热化学平衡沉积碳，通过 RDCFC的充电和放电的反应发电。

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研究成果以及未来展望

【充电（CO2电气分解）时】

二氧化碳以液态储存，并在充电时被汽化。 二氧化碳以液态形式储存，并在充电时被汽化。 一氧化碳（CO）的分压在充电时间内增加，Boudouard反应下的热平衡反应（2CO⇆C+CO2）被用来沉积碳。

【放电（发电）】

利用系统内部储存的碳和送入系统的空气中的氧气进行反应，从而产生电力。在这个过程中产生的二氧化碳再次以液体形式储存起来，形成一个充电-放电循环。 因此，在CASB系统的充电和放电过程中，没有二氧化碳排放。


如下图所示，各蓄电技术的体积及重量基准下能量密度和功率密度的关系。CASB系统的理论体积能量密度为1625Wh/L，理论重力能量为2500Wh/kg。由于CASB系统是作为一个固定的储能系统，所以体积能量密度是更重要的指标。由于CASB系统旨在成为一个固定的储能系统，体积能量密度是一个更重要的指标，预计CASB系统的体积能量密度将高于压缩氢气（理论体积能量密度379Wh/L，20MPa）和锂离子电池。 与H2/H2O-P2G2P一样，CASB系统也有望被用作高容量的能量储存系统，这是由于储存的碳和二氧化碳的容量（=储存容量）和燃料电池/电解电池的输出可以独立设置。


下图显示了CASB系统的充电/放电特性和性能：在这个使用SOFC/EC的实验中，该系统是世界上第一个在800℃和100mA/cm2的条件下成功完成10个充电/放电循环而没有电极退化的系统。 结果，实现了84%的库仑效率、38%的充放电效率和80 mW/cm2的功率密度。


这次研究中成功验证了CASB系统的充放电效率为38%，与近似的H2/H2O-P2G2P充放电效率（20%-54%）相当。 该项目研究小组未来将对该系统进行进一步的改进和开发，以应对在实际使用中所需的更高效率。为了提高效率，有必要开发具有高效的碳利用和低过电压的电极，即使在碳沉积的情况下。为了实现CASB系统，有必要研究整个系统的充电和放电过程，这将使体积能量密度和充放电效率更高。伊原教表示，目前还有很多工作要做，包括开发适合碳空气储能电池系统的低过电压（损耗）的电极材料，以及研究充电和放电过程以提高效率。尽管现在他们正在独立进行这项研究，但该技术的实际应用的时间将取决于有多少参与者参与进来。 

原标题：碳空气蓄电池--东京工业大学开发新模式电池系统