引言：儲能與碳捕捉與儲存（Carben Capture and Storage, 簡稱CCS）看似是毫不相關的兩個領域，但是來自麻省理工的科學家Sahag Voskian和T. Alan Hatton改變了這一點。他們研發出了一種新型CCS技術，通過一塊儲能電池的充放電過程，在充電過程中將二氧化碳從濃度低至0.6%-10%的氣流中分離出來，并在放電過程中釋放純凈的二氧化碳。電池的電流效率超過90%，每分離一摩爾的二氧化碳（44克）需要消耗40-90kJ的能量，且可以長期運行，7000次充放電循環后容量損失不超過30%。這一結果于9月30日發布在能源頂級期刊Energy& Environmental Science上。

（來源：微信公眾號“交能網” ID：jiaonengwang 作者：林偉）

CCS技術簡介

由二氧化碳引起的全球變暖帶來的威脅是本世紀人類面臨的重大挑戰之一。據政府間氣候變化專門委員會IPCC于2018年10月發布的《IPCC 全球升溫 1.5oC 特別報告》，如果想要將全球變暖控制在1.5°C以內，全球碳排放在2030年下降到2010年的55%，到2050年人類實現零排放。這就需要從空氣中除去二氧化碳來平衡碳排放。

相關的研究也早已開展。目前比較成熟的技術是氧燃料燃燒（通過使用純氧而不是空氣使燃料燃燒，從而得到高二氧化碳濃度的廢氣，便于二氧化碳儲存）加溶液洗滌（通常為胺洗）。這個過程要求二氧化碳濃度大于10%，且需要對電廠進行大規模的改造。許多技術通過化學過程吸收二氧化碳，這就需要吸收器的再生以實現循環利用。目前再生的手段主要可以分為“熱變化”（Termal-swing）和“壓力變化”（Pressure-swing）兩種，但這兩種方式需要大量能量，用于將加熱吸收器或將吸收器抽真空。因此，能量利用效率都很低。

除此之外，CCS的應用場景不應僅限于處理高濃度的二氧化碳流，在一些特殊環境，如太空站、飛機機艙、潛水艇等封閉環境中，需要從二氧化碳濃度很低的空氣中分離二氧化碳。這樣的技術也能成為人類在用盡碳排放指標后力挽狂瀾的工具。

所以，雖然關于CCS的研究已經持續了很多年，且碳交易為CCS的經濟應用提供了可能，但是目前電廠應用CCS的實現減排的成本依舊十分高昂。據IPCC估計，一座燃煤電站應用CCS能夠減少80%-90%的碳排放，但也會因此增加25%-40%的能源消耗和21%-91%的成本。2015年，商務部將CCS稱為“應對全球變暖的一種重要方案”，同時也稱為其“一項昂貴的實驗品”。

新技術原理與特點

在這項研究中，MIT科學家沒有使用傳統的“熱變化”或“壓力變化”吸收體，而是采用“電變化”（Electro-Swing）吸收器。由于電化學過程近乎等溫等壓，能極大地提升其能量利用效率。整個裝置的核心部件就是這個“電變化”吸收器。吸收器由三部分組成：兩片涂有能吸附二氧化碳的蒽醌聚合物納米管涂層的電極，中間是聚乙烯二茂鐵納米管復合材料制成的電極。在陰陽極之間是絕緣材料。

接下來的內容涉及大量化學，對化學有恐懼癥的小伙伴可以跳過。充電時，蒽醌上的兩個氧原子得電子，形成負電中心（或者說使其具有足夠的路易斯堿強度），吸引二氧化碳中位于正電中心附近的碳原子，使醌羧酸化，捕獲二氧化碳。由于氮氣和氧氣都不具備這樣的路易斯酸強度，所以反應有很好的選擇性。充電電壓越高，氧原子被極化得越明顯，反應速率越快，但能量損失更大，因此從能量的角度，應該使充電電壓略大于反應需要的電壓，在純氮氣條件下大約是1.21V左右，隨二氧化碳濃度變化。

這項技術的特點和難點在于電極材料的選擇和制作。首先，需要能選擇性捕獲二氧化碳；其次，電極表面需要較大的表面積，增加反應速率，這對于從低濃度的二氧化碳源中捕獲二氧化碳尤為重要；最后，還需要良好的導電性，這一點通過聚蒽醌中的離域π鍵得以實現。

成本和儲能密度方面，作者沒有過多提及。不過可以猜的是，這項技術的經濟性會好于原有的技術。一方面，電極沒有用到稀有金屬，所使用的蒽醌和二茂鐵也都實現了人工合成，成本不會太高。另一方面，這項技術既可以用于碳交易，用于電力負荷的削峰填谷，反應過程不需要加熱或加壓，也節省了大量能源開支，捕獲的二氧化碳還可用于生產尿素等工業產品。不過，其儲能密度應該不大。一方面，部分空間需要留作氣道，增加了裝置的體積，另一方面，真正發生反應的只有表面的一層聚蒽醌，能儲存的電量有限。由于捕獲二氧化碳終究需要能量，其單次循環效率不高。不過，這項技術最初就是作為碳捕獲技術而研究，其儲能的特性可以作為錦上添花。

目前，研究團隊已經成立了一家名為Verdox的公司，以實現系統的商業化運轉。

原標題:電池除了儲能還能拿來干嘛？MIT科學家：拿來分離二氧化碳