卡诺电池登上了Nature!

小艺 7天前 525浏览

01【科学背景】

卡诺电池由一种低成本、不受场地限制的能源存储技术构成，其将电能转化为热能，并存储于廉价且易获取的材料中以供后续发电。在一种特定的设计中，可再生能源被用于充电循环，驱动热泵，将热量从低温源转移到高温源，在此过程中将热量储存在热能存储材料中。在放电时，热能存储材料将热能传递给热泵以反向模式运行来发电，同时产生可用于其他多种应用的低品位热能。这些技术发展中至关重要的是热能存储材料，其中热能的吸收和释放必须在相对较窄的温度范围内进行。同样关键的是（1）每单位质量或单位成本的材料可能实现的可逆能量吸收量决定了存储的热能总量；（2）高稳定性，确保在许多年内能够保持高水平的存储效率。已知存在多种热能存储模式。显热存储代表了由于材料在工作温度范围内的热容量而产生的热能吸收。在潜热模式中，能量存储在相变材料的可逆相变过程中。最后，热化学模式的热能存储系统通过可逆的化学反应和/或吸附过程存储热量。近来，将这三种热模式整合于一个系统中的概念已经逐渐被提出，这可以极大地提高热能储存容量。摆脱化石燃料的全球目标需要高效、廉价和可持续的储能，以充分利用可再生能源。热能存储材料与卡诺电池相结合，可能会彻底改变储能领域。然而，缺乏稳定、廉价和能量密集的热能存储材料阻碍了该技术的进步。

02【创新成果】

为了解决上述问题，近日，澳大利亚莫纳什大学化学系Karolina Matuszek和Douglas R. MacFarlane教授团队在Nature上发表了题为“Trimodal thermal energy storage material for renewable energy applications”的论文。该项工作首次报道了一种“三模态”材料，其通过整合三种不同的能量存储模式——潜热、热化学和显热，协同存储大量热能。硼酸和琥珀酸的共晶混合物在约 150°C 发生相变，具有高达 394 ± 5% J·g−1 的创纪录高可逆热能吸收量。该项研究表明，该相变涉及硼酸成分的熔化，同时其脱水形成偏硼酸和水并溶解于液体中。偏硼酸在液态得以保留，使其在冷却时能够轻易地重新水合以重新形成硼酸。此外，该材料在 1000 次加热-冷却循环中表现出极高的稳定性，能够可持续生产，且成本远低于大规模锂电池技术，表明其在可再生能源存储应用中具有强大的潜力。该材料成本极低、环境友好且可持续。这种固液相变与化学反应的结合为开发高能量容量材料开辟了新途径。

03【数据概览】

图1三模态热能储存

a，硼酸和琥珀酸共晶混合物的DSC示踪（加热/冷却速率1℃ min-1） （χBA = 0.6）。实色区域表示升温时的热能吸收（红色）和冷却时的热能释放（蓝色），分别是由于吸热熔融/脱水和放热凝固/再水化过程中相变和反应能量的结合。b，共晶混合物室温（下，蓝色）、液态（中，红色）和熔融液体凝固后样品（上，蓝色）的拉曼光谱。750和1000 cm−1之间的光谱区域被扩大（浅紫色阴影），表明硼酸（880 cm−1）和琥珀酸（936 cm−1）的特征峰，以及代谢酸的形成，表明在812 cm−1的特征峰为液态。c，硼酸、琥珀酸和共晶混合物的热重分析（升温速率10°C min−1）。d，在150°C的单波反应器中，将1 g共晶混合物在封闭管中（10 ml）放置3小时所产生的蒸汽压变化表明只有低蒸汽压，因为水仍然溶解在液体混合物中。© 2024 Springer Nature

图2硼酸和琥珀酸二元混合物的热行为

a，二元混合物的加热和冷却（加热/冷却速率为10°C min−1）循环的DSC轨迹。y轴是任意的，为了清晰起见，每种情况下都调整了热流轴。b、温度-组成的相图与硼酸摩尔分数的关系。c、加热循环中不同转变的热能吸收与二元混合物中硼酸摩尔分数的关系。© 2024 Springer Nature

图3三模态热能储存材料的长期性能

a，在1000个加热-冷却循环中选定循环的DSC痕迹显示恒温和放热的形状变化可以忽略不计。b、线形图（上表）显示加热过程中热能吸收温度没有变化，能量释放温度（Tr）有轻微变化。在加热和冷却循环过程中热能吸收和释放的条形图（下图）表明了材料的热稳定性。c,d，纯硼酸（黑色），纯琥珀酸（粉色）和共晶混合物在1000次加热-冷却循环前（绿色）和后（紫色）的拉曼光谱和PXRD图。© 2024 Springer Nature

04【科学启迪】

该项研究发现了一种“三模态”储能材料，通过一种独特的机制，集成了所有三种热能存储模式，在狭窄的温度范围内存储非常大量的热能。硼酸和琥珀酸共晶混合物在148°C±1°C熔点处具有高的热能吸收率（380 J g−1 ±5%），并具有有利的低过冷性。在实际应用的典型温度范围内，显热吸收将总热能储存增加到394 J g−1 ±5%。该系统的一个创新特点是硼酸可逆脱水为代谢酸，与熔融同时发生。实验表明，这种材料在能量吸收的第一阶段起着明智的储存作用，当达到熔化温度时，形成的液态能够作为一种良好的溶剂，在这种溶剂中，热化学过程协同发生。后一种作用方式的一个关键的令人惊讶的特点是，热化学过程是高度和迅速可逆的；这解决了热化学热储能材料的主要挑战之一。

原文链接：

Saher, S., Johnston, S., Esther-Kelvin, R. et al. Trimodal thermal energy storage material for renewable energy applications. Nature 636, 622–626 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08214-1

本文由小艺编译供稿

分享到