东京工业大学开发碳-空气电池 推动下一代储能系统发展

风能和太阳能发电的障碍之一在于其不稳定性。作为有前景的替代方案之一，使用储氢系统，有助于在不良环境条件下，适应功率输出波动。该类系统通过水分解制氢，以产生清洁电力。然而，这些系统的效率较低，通常需要扩大规模，从而导致热管理较为复杂，并降低能量和功率密度。

（图片来源：techxplore）

据外媒报道，东京工业大学（Tokyo Tech）的研究人员提出一种替代性电能储存系统，以碳为能源，而不是氢气。新系统名为碳/空气二次电池（CASB），由固体氧化物燃料和电解电芯（SOFC/ECs）构成，利用电解二氧化碳（CO2）产生的碳，与空气氧化产生能量。通过向SOFC/ECs供应压缩液化CO2，以构建能量储存系统。
研究人员表示，CASB类似于电池，利用可再生能源产生的能量充电，将CO2还原为C。在随后的放电阶段，C被氧化以产生能量。由于碳被储存在SOFCs/ECs的有限空间中，CASB的能量密度受限于其可容纳的碳数量。尽管如此，研究人员发现，与氢储存系统相比，CASB拥有更高的体积能量密度。
电池性能的另一个指标是充放电效率。为了评估这一指标，研究人员进行充放电实验，并观察到C和CO2之间的转换是由于“波多反应”（Boudouard reactions），其特征是CO、CO2和C的混合物发生氧化还原反应。在充电期间，通过电化学还原CO2，以及波多分解还原CO，将C沉积在电极上。在放电期间，通过波多气化反应和电化学氧化，C被分别氧化成CO和CO2。研究人员发现，CASB用于发电的C利用率，取决于3种不同碳物种(C、CO2、CO)之间的平衡，也就是所谓的“波多平衡”。
CASB系统能够利用沉积在电极上的大部分碳发电，并表现出高达84%的库伦效率。这表明，表明大部分储存的能量可在放电阶段获得。此外，在800℃和100 mA cm -2 下，功率密度高达80 mW/cm2，可保持38%的充放电效率。这首次证明具有波多平衡的 CASB 系统，经过重复发电（10 次充放电循环）没有退化，燃料电极没有发生降解。
研究人员表示，与储氢系统相比，预计CASB系统的尺寸更小，系统效率更高。这为开发紧凑高效的碳储能系统奠定了基础，再加上使用可再生能源，有助于实现无化石燃料未来。