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赵天寿院士：流体电池是实现新能源规模化利用的有效途径之一
来源：互联网
2024-11-12 00:14:26 版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们
赵天寿，中国科学院院士，中科智库首批入库专家兼审核委员会委员，工程热物理与能源科学专家，香港科技大学能源研究院院长。
赵天寿长期致力于热质传递理论和电池储能技术的研究。建立了电池储能系统中热质传递和电化学能量转换的耦合理论，提出了可充放电的液态能量载体储电的新方法，在解决风光电并网难题、实现可再生能源规模利用、解决空气污染与气候变化问题等方面将发挥重要作用。
提出电燃料储能（e-fuel）的概念
目前我国采用的太阳能、风能产生的电存在波动性、不稳定性，因此造成了大量资源浪费和资金损失。为此赵天寿提出了电燃料储能（e-fuel）的概念，这是一种液态能量载体，可以储存电能，以循环充放电液体为介质的储能系统。简单来说就是，将充好电的载电液体直接灌入电燃料电池中使用，该系统没有贵金属元素催化剂，可以极大地降低投资成本。并且充电装置没有任何地域限制，随时随地将大地上的光和风变为电燃料，高效的提供新的能源动力，并且由于是液态可输运不同的地方。
赵天寿指出，电池储能，特别是流体电池（燃料电池，液流电池，金属空气电池），是实现新能源规模化利用的有效途径之一。他说，“早在2016年，我就开始构想一种燃料电池，可以让液体充上电。以金属离子电燃料为例，充电前是高价态，通入电流之后的电子变为低价态，就实现了电燃料的充电。整个能量转化过程是一种“电到电”的转化过程，有非常高效的能量转换系统。”他表示，相较于其它可再生能源储能技术，流体电池储能技术更具前景性，其最大优势就是可以满足新能源的规模化、高效率、低成本、耐久、安全等大量要求。
赵天寿称，“该系统的储能循环效率高于80%，单算充电，效率可达90%以上，而在放电过程中，还达到了高功率密度。电燃料的储能系统充电过程很快，可再生能源可以高效快速地充进电燃料，然后被灵活方便地运输、使用。”如果电燃料储能可以同风、光、水等清洁能源结合，就可以解决能源短缺、减少碳排放及环境污染等问题。不仅如此，电燃料储能系统的容量没有限制，由电燃料的体积来决定。电燃料充电站可以源源不断地将可再生能源转化为电燃料，电燃料电池又可随时随地、高效高功率地为用户提供清洁电源。
目前，赵天寿带领团队正在研发电燃料储能系统在汽车动力和大型固定式储能设施等方面的落地应用。对于车用动力电源，重点研究能量密度和功率密度，尽可能让电燃料电池体积更加紧凑，使得加一次电燃料可行驶更长距离；固定式储能方面，该团队已经在试验千瓦级储能设施。
发现新型石墨炔，解决“卡脖子”问题
发展绿色经济，促进能源结构低碳化转型，减少温室气体排放，已成为全世界的共识。赵天寿认为，实现绿色发展，除了单一技术开发外，还要促进技术之间的协调、融合发展，使它们能够组成一个有机系统，进而实现能源结构的系统性调整。他说，目前，我国技术间的不协调、不匹配，限制了技术的推广应用。而技术间的交叉、融合可以提高新技术的竞争力，加快技术的转化应用速度。
赵天寿说，实现碳中和是绿色发展的重要目标，最关键的是实现太阳能、风能对化石能源的规模化替代。他表示，我国二氧化碳排放力争在2030年前达到碳达峰。解决这一问题，太阳能和风能的占比要达到60%以上，但是目前我们只有5%的占比。因此，研究清洁高效能源是未来重要的创新方向之一。
直接甲醇燃料电池被认为是最有前途的清洁高效能源电池之一，其中，质子交换膜是影响直接甲醇燃料电池能量效率、功率密度的核心部件。赵天寿说，质子交换膜的性能是现在面临的一个“卡脖子”问题。目前燃料电池用的质子交换膜主要是美国杜邦公司生产的Nafion膜，最大问题是甲醇渗透率高。这会造成甲醇燃料的浪费，降低能源利用效率；如果发生负反应，还会导致催化剂中毒，大大降低电池性能，缩短电池寿命。
2019年，赵天寿带领团队研究发现了新型二维碳纳米材料石墨炔，这是一种较为理想的质子交换膜材料，具备高选择性和高导电性，能有效阻隔甲醇燃料的渗透。赵天寿通过原子尺度的模拟，对石墨炔界面处的质子及甲醇分子的穿透行为进行分析，发现石墨炔孔径大于1.2纳米时，石墨炔和水形成的是一个水相-真空相交错的界面，水相使质子快速传导，真空相可以有效地阻挡甲醇分子的穿透。这为零渗透质子选择膜的设计提供了新的可能性。赵天寿说，未来我们还将继续探究其他质子交换膜材料，开展可行性研究，解决实际问题。（文/王慧兰）
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赵天寿院士简介
赵天寿，中国科学院院士，中科智库首批入库专家兼审核委员会委员，工程热物理与能源科学专家，香港科技大学能源研究院院长。
长期致力于热质传递理论和电池储能技术的研究。针对国家对可再生能源利用的重大需求，围绕燃料电池、液流电池、金属空气等流体电池储能装置中能量传递与转换关键科学问题，建立了电池储能系统中热质传递和电化学能量转换的耦合理论，提出了热、质、电子及离子协同传输方法，突破了高功率流体电池设计的关键技术。提出了以可充放电的液态能量载体储电的新方法，发明了充、放电装置彼此独立的新型储能系统，取得了系统效率与输出功率的同时跃升，将在解决风光电并网难题、实现可再生能源规模利用、解决空气污染与气候变化问题等方面将发挥重要作用。
曾获Croucher资深研究成就奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、国家自然科学奖、香港科大工程学杰出研究成就奖。发表SCI论文383篇，SCI引用19000余次，连续6年入选全球高被引科学家和最有影响力科学思想名录。出版英文专著5部、中英文专著章节9篇。
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