【复材信息】卡诺电池-能源革命背景下被忽视的行业

【选题背景】

目前，全球能源消耗正在迅速增加，化石燃料的应用预计将很快达到峰值。人们对能源总量的焦虑越来越大，二次能源的综合利用也在如火如荼地进行。然而，能源革命的进程不仅取决于技术的核心，还取决于具体的成本利益和社会现状。除了传统的可再生资源产业研究领域，化学研发人员还需要做哪些研究？

基于此，美国杜兰大学Bruce C. Gibb在Nature 在Chemistry上发表题为“Carnot batteries for dispatchable renewables研究论文中，作者提出了一个经典的概念——卡诺电池，即热存储领域。笔者认为，虽然热储存看上去并不像电化学电池那样高档繁杂，但其内部仍然蕴含着丰富的机制和机遇。这项工作为化学研究开发者开辟新的研究内容提供了新的思路。

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近40年来，全球能源消耗增长约80%，达到60%。 × 1020焦耳，或略低于6,700公斤物质（E = mc2）。考虑到越来越多的主权国家拥有新兴产业基础，以及全球人工智能的普及，这种增长趋势只会继续。对一些意识到地球是一个封闭的系统，并考虑燃烧化石燃料的后果的人来说，这无疑是个坏消息。幸运的是，能源来源不是一成不变的；在此期间，石油和煤炭(以及核能)的能源产生比例明显下降，而可再生资源的比例增加到几乎满足全球能源供应的三分之一。

然而，在过去的40年里，并不是所有的消息都是积极的；天然气的使用也增加了，因为它燃烧得更干净，可以在不改变社会行为的情况下取代石油和煤炭。但是，这种趋势掩盖了一个事实，即化石燃料的应用预计将在2030年前达到顶峰。这一峰值并非过去所说的“哈伯特峰值”（Hubbert’s Peak），也就是说，氮氧化合物供应有限，并且随着时间的推移呈现正态分布曲线。这次的峰值并非由于供应限制所致，而是基于需求。

为什么会出现新的峰值？化石燃料燃烧带来的污染问题。不管是局部问题(如心肺疾病或生活质量问题)、更广泛的担忧(如海平面上升对沿海地区的影响)或全球性问题(如气候问题)，正在减少公众对燃烧化石燃料后果的需求。但是，由于成本和社会生产的产业链，化石燃料的淘汰速度并没有想象中那么快。幸运的是，另一个因素正在发挥作用:可再生资源(如太阳能和风能)的经济成本正在下降，低于化石燃料。无论是污染严重还是成本原因，对化石燃料的需求都将达到峰值。

图1 热电转换系统卡诺电池简化方案

在可再生资源研究中，化学学科最明显的作用是不断开发新的电化学电池技术。例如，开发一种能够在宽温范围内高效运行的电化学系统，或者依靠廉价丰富的元素进行电化学反应，从而使能源民主化——当然，寻找能量密度更高的反应技术；每个人都关注文献中出现的相关研究浪潮。此外，还有光伏技术的不断研究，开发替代燃料(如氨或氢)的电化学或催化生成技术等...有无数的研究内容。

那还有哪些领域需要深入研究，但现在却相对被科学家忽视了？让我们看看另一种电池：卡诺电池（Carnot Battery）。卡诺电池由三个主要部件组成:一个用于将电能转化为热能，另一个用于储存热能，另一个用于将热能转化为电能(如图1所示)。

热能储存系统能够将能量储存的时间从几个小时延长到几个月，甚至几年。这一技术规模可从单一家庭供暖，到区域供暖，再到区域等级。所以，它们是保证可靠能源需求的最佳方法。储存热能的方法有三种：“显热储存”(简单地加热一种材料)；潜热储存，利用改变内部能量流动；以及热化学过程，依靠可逆化学过程(如反应或吸附)的能量学。这是一系列适合各种需求的定制技术，将电能(或更常见的能量)转化为热能和相反的不同方法相结合。一般来说，潜热储存一般提供比显热储存高一个数量级的能量储存密度，因为潜热一般比显热导率高(在典型温度范围内)。类似地，热化学能源存储通常提供比显热存储高一个数量级的能量存储密度。

显热储存系统是最成熟的热能储存系统，其关键在于选择一种热导率高、温度范围广、易得材料。由于水的易得性和较高的热导率，它成为显热储存的主要选择之一。聚光太阳能发电中还应用了显热存储系统，它利用镜片或镜片将来自大阵型的光聚焦在接收器上产生太阳能。很明显，这种技术只能在太阳直射时进行调度。聚光太阳能发电需要与热能储存系统相结合，才能使产生的能量能够全天候供应，从而真正实现可调度。高温储存系统还可采用混凝土、岩层、沙子、土壤等廉价易得的固体材料。虽然它们的导热系数不如水，但是它们可以在环境效应下加热到更高的温度。

第2类热能储存系统-潜热储存-依赖于通过改变储存热量的材料。这类系统的容量一般高于显热存储系统，并且有额外的优点，即相变过程是等温的，然后在运行过程中最小化热应力。所需的相变材料一般分为无机或有机材料，以及固-液或固-固。对常见的酸盐、水合物、共熔混合物等无机相变材料进行了大量的研究，因为每个单位体积的潜热一般都高于有机材料，这使得它们成为一种流行的选择。然而，这里的一个限制因素是，许多系统不兼容熔化或结晶；虽然一种替代材料可能有合适的潜热和理想的溶解点，但如果不兼容熔化或不兼容结晶，就没用了。另一方面，石蜡、脂肪酸、长链纯脂、聚醇等有机相变材料在低温系统中表现出潜力，具有耐化学性，一般表现出优异的熔化和结晶行为。另外，与酸盐不同，它们通常没有腐蚀问题。

最后是一个热化学存储系统，涉及到一个可逆的化学过程。作为最不成熟的热能存储系统，科学家可能真的可以深入研究一些基础化学行业。这些系统可以涉及价格键变化或非共价相互作用的简单形成/断裂，例如吸附过程中的情况。前者更适合高温应用，后者适合低温应用。

【总结与展望】

综上所述，虽然新能源存储和转换领域的研究已经非常广泛，但传统和自然的“卡诺电池”热存储循环特性研究仍有很大的研发潜力，潜热、显热和热存储转换系统的研究仍然是独一无二的，不断吸引感兴趣的化学研究者的注意力。

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原标题：“卡诺电池-能源革命背景下被忽视的行业”

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