中国粉体网讯 2022年6月，意大利储能公司Energy Dome启用了其首个电网级储能工厂。利用其独特的CO2电池可以长期储存可再生能源，并能做到快速释放，成本不到大型锂电池的一半。
Energy Dome的CO2储能系统（来源：Energy Dome）
Energy Dome的CO2电池是一个封闭系统，它使用巨大的穹顶，里面有充满CO2气体的巨大、灵活的气囊。它使用可再生能源来运行电动压缩机，将CO2气体压缩，直至凝结成液体，然后在环境温度下储存，这个过程相当于为电池充电。压缩过程产生的热量被捕获并储存。
当需要能量时，上述储存的热量被用来蒸发液态CO2，然后变成气体，气体驱动涡轮发电。
CO2能源化利用
CCUS，即CO2捕集、利用与封存技术，受限于以往CCS技术高能耗、高成本的缺陷，CCUS技术在CCS技术的基础上实现二氧化碳的综合利用。随着可再生电能的不断发展，围绕“CO2能源化利用”的电化学技术不断萌生，CO2的能源化利用似乎恰好提供了一个更具前景的CO2减排利用方案。
CO2能源化利用技术发展概况（来源：谢和平等，《CO2的能源化利用技术进展与展望》）
严格意义上讲，“CO2能源化利用”应指能量来源于CO2自身的物理或化学变化，如上述Energy Dome的CO2电池。但随着储能技术与CO2减排技术的交叉融合，这一概念的边界在不断拓宽，目前可归为三大类：耦合储能的CO2电池技术、回收能量的CO2电容器/电池技术和深度发电的CO2矿化电池技术。
耦合储能的CO2电池技术
“CO2发电”这一概念源于20世纪40年代Sulzer等提出的超临界CO2发电技术。利用超临界CO2良好的物理特性将热能储存，并转化为机械功从而产出电能。该技术是将超临界CO2作为一种循环工质，拉开了CO2能源化利用的序幕。
在进一步的发展中，金属–CO2（Me-CO2）电池为储能耦合的CO2能源化利用提出新的思路。其结合了先进储能和有效固定CO2的双重特性，被视为下一代能源转换和储存以及CO2捕获和利用器件的潜在候选者。
Me-CO2电池利用CO2气体作为反应物质，降低了电池的整体质量，使得电池具有非常高的理论比能量。目前Me-CO2电池的研究集中在Li-CO2电池、Na-CO2电池、Al-CO2电池、Zn-CO2电池、K-CO2电池等，尤其是Li-CO2电池的研究和开发已取得明显的进展。
Li−CO2电池（来源：谢和平等，《CO2的能源化利用技术进展与展望》）
目前，Li-CO2电池的研究集中在几个方面：①阴极催化剂。催化剂对于电池性能的提高起到了显著的作用，但至今仍没有一种催化剂能全部满足导电性良好、结构优异、催化活性高、价格低廉的要求；②固态电解质。为了进一步提高电池的性能和安全性，Li-CO2电池中固态电解质的研究也取得了很大的进步，但在提高离子导电性、降低界面电阻和提高结构性能等方面还有待突破；③阳极锂保护。虽然使用固态电解质可以进行锂保护，但并不能高效消除锂枝晶的影响。锂保护对提升电池循环性能发挥了显著的作用，这也将是以后发展的方向。
尽管Li-CO2电池领域仍存在许多科学和技术挑战，但在越来越多的研究人员不断努力下，这蕴含巨大潜力的电化学技术将获得广阔的应用前景。
回收能量的CO2电容器/电池技术
回收能量的CO2电容器／电池技术基于打破CO2解离平衡的电容器或CO2再生胺基电池技术原理来实现能量回收。
Li等基于Cu－胺络合反应提出了新型CO2再生胺基电池技术，如下图所示。电功率密度可以达到32W/m2，但在此项技术中，CO2的形态并未发生变化，更像是一种节能技术或CO2提纯技术。
CO2再生胺基电池（来源：Li Kangkang,et al.CO2 regenerative battery for energy harvesting from ammonia-based post-combustion CO2 capture）
深度发电的CO2矿化电池技术
根据CO2矿化反应（或碳酸化）热力学吉布斯自由能降低这一特征（ΔG<0），四川大学的谢和平团队于2014年提出一种CO2矿化发电的原理和技术路线（目前已发展到第三代），将CO2作为一种潜在的能源和资源，实现了将CO2矿化反应化学能直接转化为电能输出的CO2减排新途径。
第三代CO2矿化电池原理（来源：谢和平等，《CO2的能源化利用技术进展与展望》）
CO2矿化电池本质上是酸性气体CO2和碱性固废形成的H+浓差电池。以自然界生物体内高效质子耦合电子转移反应（PCET）驱动的第三代CO2矿化电池在试验中实现了电池最大产电功率密度96.75W/m2的技术突破。
小结
在“碳达峰”、“碳中和”目标和碳税、碳交易等产业政策的约束下，CO2减排研究正在被推至新高潮，技术成果转化也在显著加速。越来越多的研究强调CO2本身是一种资源，特定情况下也是一种能源。
CO2能源化利用作为新的CO2利用策略， 所涉及的CO2储能、能量回收、深度发电三大电池技术方向的突破都将有助于加快实现低成本CCUS技术体系，推动碳减排产业发展，助力中国“碳中和”战略目标的发展，形成世界CO2能源化利用的中国路径。
参考资料：
科创板日报
1、谢和平等，《CO2的能源化利用技术进展与展望》
2、徐昌藩等，《金属-二氧化碳电池的发展：机理及关键材料》
3、顾洋等，《锂-二氧化碳电池关键材料的研究进展》
4、刘永强等，《浅谈二氧化碳减排技术现状及研究进展》
5、Li Kangkang,et al.CO2 regenerative battery for energy harvesting from ammonia-based post-combustion CO2 capture
（中国粉体网编辑整理/长安）
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