Advanced Science： 利用可充电海水电池同时进行储能和海水淡化：可行性和未来发展方向

文：SSC

第一作者：Moon Son

通讯作者：Youngsik Kim，Kyung Hwa Cho

通讯单位：蔚山国立科学技术研究所

DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202101289

背景

可充电海水电池(SWB)是一种独特的能将海水直接转化为可再生能源的储能系统。在SWB阳极和阴极之间放置海水淡化隔间可以在给SWB充电的同时进行海水淡化。由于海水淡化是一项成熟的技术，主要由反渗透(RO)等基于膜的过程占据，因此必须考虑替代海水淡化技术的能源成本。到目前为止，基于单位淡化水成本($ m⁻³)的SWB-D系统的可行性还没有得到充分的讨论。

研究的问题

因此，本文旨在提供这些信息，并在详细的成本分析的基础上提供未来的研究方向。根据计算，目前的SWB-D系统在回收96%的能量并实现1000个循环的稳定运行时，预计设备成本为≈1.02 $ m⁻³(低于0.6~1.20 $ m⁻³的RO)。阴离子交换膜(AEM)和分离器对材料成本的贡献很大，分别占总成本的50%和41%。因此，未来致力于开发低成本的AEMS和分离器的研究将为SWB-D的大规模应用铺平道路。

图1.a)锂离子电池(Lib)或钠离子电池(SIB)、b)海水电池(SWB)和c)简化海水电池淡化系统(SWB-D)充电后的比较。对于SWB-D系统，钠离子在阳极上固化，氯离子迁移到阴极室以保持电荷中性，而海水淡化过程中使用的部分能量则储存在SWB阳极中。与LiB或SIB不同，SWB和SWB-D有一个开阴极隔室。此外，SWB和SWB-D使用钠超导隔膜(NASICON)，LiB或SIB使用隔膜。

图2.SWB和其他电池系统的能量密度比较。

图3.完整的SWB-D系统示意图。充电后，海水淡化隔间中的水被淡化，而能量以金属钠的形式储存在阳极(蓝色回路)中。在放电过程中，阴极室中的水被盐化，而阳极中储存的能量被释放(黄色回路)。

图4.除盐(R)与海水淡化的SWB(红星)、反渗透(RO；橙色梯形)和电化学过程的比能耗的函数关系。三种具有代表性的电化学过程包括电渗析(ED；黄色三角形)、膜电容去离子(MCDI；M；黄色三角形加黑色右半部分)和流动电极电容去离子(FCDI；F；黄色三角形加黑色左半部分)。使用coin-type SWB(SWBCoin)进行计算。SWB-D是指基于SWB_Coin的海水淡化系统。完全海水淡化的理论最小能量是根据50%的水回收率(WR；黑色虚线)计算出来的。所有计算均采用海水浓度为6 0 0×10⁻³M。ER：能量回收。

图5.SWB_Coin、SWB_Rect的每能源材料成本( $ kWh⁻¹)和成本明细(%)。本文根据SWBCON的大小和能效计算SWBD。采用3145Wh kg^-1的理论能量容量计算SWB_Theor成本。计算的组件包括阴离子交换膜(AEM)、分离器(NASICON；钠超导固体电解质)、阴极集流器(阴极C.)、阳极液和阳极。LIB的材料成本从≈88到≈200 $ kWh⁻¹不等。

结语

基于上述讨论，可以得出以下重要结论：AEM(50%)和分离器(41%)的材料成本是目前SWB-D大规模应用的障碍。与反渗透等其他海水淡化技术相比，能量回收和循环效率对确定SWB-D的可行性起着至关重要的作用。当达到≈96%的能量回收和1000次循环的稳定性能时，预计设备成本为≈1.02 $ m⁻³，与RO(0.6~1.20$ m⁻³)相当。目前，SWB-D的流体室(或连续系统)的开发迫切需要进行全面的对比。连续流动可以促进离子在AEM中的扩散，在不增加能量输入的情况下可以去除更多的离子。为了使SWB-D能与其他海水淡化工艺（特别是反渗透工艺）竞争，除改善能源方面外，还必须显著改善海水淡化动力学。在今后的研究中，当考虑材料加工成本和套管成本时，可以对大规模SWB-D系统进行更符合实际的成本分析。

本文由SSC供稿。