香港城市大學(xué)吳偉教授、南京大學(xué)朱嘉教授《自然·通訊》：新型多級電能轉(zhuǎn)化水電池：同步解決儲能與缺水難題

全球范圍內(nèi)，可再生能源的間歇性供應(yīng)與日益嚴(yán)峻的淡水短缺問題，是制約可持續(xù)發(fā)展的兩大挑戰(zhàn)。許多可再生能源豐富的地區(qū)，如中國西北和中東，恰恰飽受缺水之苦。傳統(tǒng)的能源存儲系統(tǒng)面臨著地形限制、效率不足和成本效益等難題，而現(xiàn)有的大氣水收集技術(shù)則受限于產(chǎn)水量低、能耗高或依賴不穩(wěn)定的太陽能等問題。

近日，香港城市大學(xué)吳偉教授、南京大學(xué)朱嘉教授合作提出并驗(yàn)證了一種多級電能轉(zhuǎn)化水電池系統(tǒng)，能夠協(xié)同實(shí)現(xiàn)靈活的能源存儲與高效的大氣水收集。該系統(tǒng)將高溫氧化鎂基熱能存儲單元與模塊化多級大氣水收集裝置相結(jié)合，利用一種基于Reline的三元溶液提升吸附動力學(xué)性能和系統(tǒng)可擴(kuò)展性。原型機(jī)每日產(chǎn)水量可達(dá)3060克，完全滿足一個成年人的日需求，其單位產(chǎn)水能耗低至1.13千瓦時/千克，優(yōu)于現(xiàn)有主動式大氣水收集系統(tǒng)，甚至在特定條件下其平準(zhǔn)化水成本可與海水淡化技術(shù)競爭。相關(guān)論文以“Multi-stage power-to-water battery synergizes flexible energy storage and efficient atmospheric water harvesting”為題，發(fā)表在Nature Communications上。

該研究的核心思路源自對水-能協(xié)同機(jī)遇的識別。如圖1所示，研究者提出了水-能協(xié)同指數(shù)，用以量化那些可再生能源過剩但水資源緊張的地區(qū)（如內(nèi)陸區(qū)域）的潛力。MSP2W系統(tǒng)正是在此背景下應(yīng)運(yùn)而生：在電力低谷期（圖1b），系統(tǒng)將多余的可再生能源以高溫?zé)崮苄问酱鎯ζ饋恚瑫r多級水收集器從環(huán)境中分批吸附水分；在需要時（圖1c），存儲的熱能被釋放，用于驅(qū)動多級水收集器的脫附過程，通過級聯(lián)利用冷凝潛熱，大幅提升能量效率。

圖1 | 可再生能源豐富但水資源短缺地區(qū)的水-能協(xié)同機(jī)遇，以及采用MSP2W的相應(yīng)解決方案。 a 全球視角下的水-能協(xié)同指數(shù)。數(shù)值越大，表示該地區(qū)新能源盈余越多且氣候越干燥；反之，數(shù)值越小，表示新能源盈余越低（或水資源越豐富）。詳細(xì)計(jì)算方法參見補(bǔ)充方法1。b 提出MSP2W系統(tǒng)，用于經(jīng)濟(jì)高效地存儲剩余可再生能源，用于基于吸附的大氣水收集。在電力低谷期，可再生能源以高溫?zé)崮苄问酱鎯ΑＭ瑫r，多級大氣水收集器從周圍環(huán)境中分批吸附水分。c 在用電高峰期，存儲的熱能用于多級水收集器的脫附過程。

實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)水的關(guān)鍵在于多級結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。圖2的理論模型揭示了大氣水收集的生產(chǎn)極限。研究發(fā)現(xiàn)，并非級數(shù)越多越好，在中等濕度下，三級配置能達(dá)到產(chǎn)水最大化，超過此限反而因溫降不足和熱損失增加導(dǎo)致收益遞減。理論分析還指出，提升加熱功率和優(yōu)化吸附床傳質(zhì)對性能至關(guān)重要，這直接引導(dǎo)了后續(xù)的材料與器件設(shè)計(jì)。

圖2 | 多級大氣水收集的理論極限。 a 多級大氣水收集的概念圖。b 在最佳級數(shù)和25°C環(huán)境條件下，典型固體吸附劑的日大氣水收集極限。產(chǎn)水量以每平方米加熱面積、每毫米吸附劑厚度對應(yīng)的千克數(shù)表示。c 在最佳級數(shù)和25°C環(huán)境條件下，典型液體吸附劑的日大氣水收集極限。d 不同級數(shù)下，各吸附劑層的壓力-溫度分布。e 單級、雙級和六級配置下，LiCl在脫附過程中吸水量的變化。箭頭表示LiCl吸水量的平衡狀態(tài)在脫附過程中的變化方向。f 基于AQSOA Z01的多級大氣水收集系統(tǒng)在不同級數(shù)和三種不同平衡濕度比（環(huán)境溫度25°C）下的產(chǎn)水量。

優(yōu)異的性能離不開高性能吸附材料與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。如圖3所示，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了抗結(jié)晶的Reline基三元溶液，其吸水量在潮濕環(huán)境下可達(dá)自身重量的420%以上，且循環(huán)穩(wěn)定性良好。為了在實(shí)際尺度下發(fā)揮材料性能，他們設(shè)計(jì)了一種主動式“三明治”結(jié)構(gòu)液體吸附床。該結(jié)構(gòu)通過優(yōu)化氣流、集成冷卻單元和采用特殊填充物，將12小時內(nèi)的吸附動力學(xué)性能提升了143%，確保了快速、穩(wěn)定的水分捕獲。

圖3 | RTS和SLAB的制備與表征。 a RTS由兩種強(qiáng)吸附劑（Reline和LiCl）組成，具有高吸附容量和低結(jié)晶溫度。b LiCl溶液和RTS的結(jié)晶曲線。c LiCl溶液、Reline和RTS的傅里葉變換紅外光譜曲線。d RTS、DES（深共晶溶劑）的蒸汽吸附等溫線，以及LiCl的理論等溫線。e RTS與最先進(jìn)的吸附材料在吸水量上的比較。f SLAB結(jié)構(gòu)示意圖。g 不同因素對SLAB吸附動力學(xué)增強(qiáng)的貢獻(xiàn)。h 不同相對濕度下SLAB的吸附動力學(xué)。

基于上述理論基礎(chǔ)與材料創(chuàng)新，研究者構(gòu)建了模塊化的多級水收集器（圖4）。實(shí)驗(yàn)表明，在80%相對濕度下，三級系統(tǒng)比單級系統(tǒng)的日產(chǎn)水量提高了51.2%，單位能耗降低了26%。即使在干旱環(huán)境下（40%相對濕度），多級配置也展現(xiàn)出顯著的能效優(yōu)化能力。

圖4 | 水收集器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。 a 模塊化水收集器示意圖。b 模塊化水收集器實(shí)物照片。c 不同配置和相對濕度條件下的日水產(chǎn)量比較。d 不同配置和相對濕度條件下的單位能耗比較。

圖5展示了集成熱能存儲單元的完整MSP2W電池原型及其性能。該系統(tǒng)采用氧化鎂磚作為儲熱介質(zhì)，表現(xiàn)出良好的規(guī)模效應(yīng)和成本優(yōu)勢。最終的原型機(jī)在80%濕度下日產(chǎn)量達(dá)3060克，單位產(chǎn)水能耗創(chuàng)下同類技術(shù)新低。與現(xiàn)有被動式太陽能驅(qū)動或主動式大氣水收集技術(shù)相比，MSP2W在產(chǎn)水率、能耗及可擴(kuò)展性上均具有明顯優(yōu)勢。其能量存儲密度與成本效益亦可與多種傳統(tǒng)儲能技術(shù)媲美。

圖5 | MSP2W電池的性能。 a 多級水電池的照片和剖面示意圖。b 儲能過程中儲能單元的溫度變化。插圖顯示了不同測量點(diǎn)的俯視圖。c 氧化鎂基TES的成本隨存儲容量及高寬比例的變化。插圖為高寬比例示意圖。d 三級P2W電池的溫度變化和水產(chǎn)量。上圖顯示吸附劑和冷凝器的溫度；下圖顯示收集到的水量和累積水量。e 與最先進(jìn)的、旨在提升動力學(xué)的被動式大氣水收集技術(shù)在單位加熱面積產(chǎn)水量、單位吸附劑產(chǎn)水量及日產(chǎn)量方面的比較。f 與最先進(jìn)的主動式大氣水收集技術(shù)在單位能耗、每千克吸附劑產(chǎn)水量及日產(chǎn)量方面的比較。g 不同儲能技術(shù)的能量存儲密度與單位能量成本對比。

該技術(shù)的全球應(yīng)用潛力與經(jīng)濟(jì)性得到了進(jìn)一步評估。圖6中的水短缺緩解潛力地圖顯示，WSMP值高的地區(qū)（如中國西北、北非、美國西部和中東）可利用本地不足1%的可再生能源盈余，通過MSP2W技術(shù)理論上完全解決缺水問題。平準(zhǔn)化水成本分析表明，在可再生能源電價(jià)低廉甚至為負(fù)價(jià)的地區(qū)（如美國加州），MSP2W的產(chǎn)水成本可低于每噸20美元，具備了與反滲透等海水淡化技術(shù)競爭的經(jīng)濟(jì)可行性。

圖6 | MSP2W電池的全球水短缺緩解潛力評估和平準(zhǔn)化水成本。 a MSP2W電池的水短缺緩解潛力評估圖。該圖突出了WESI > 0.25的地區(qū)，這些地區(qū)可通過利用可再生能源顯著緩解水短缺。WSMP > 1的地區(qū)理論上具有通過提供人均每年185噸水來完全解決水短缺的潛力。b 與現(xiàn)有主動式大氣水收集技術(shù)及海水淡化技術(shù)相比，MSP2W電池在不同充電功率下的平準(zhǔn)化水成本。c 與現(xiàn)有主動式大氣水收集技術(shù)及海水淡化技術(shù)相比，MSP2W電池在不同熱能存儲容量下的平準(zhǔn)化水成本。

總而言之，這項(xiàng)研究展示了一種將可再生能源存儲與淡水生產(chǎn)深度融合的創(chuàng)新解決方案。MSP2W電池不僅為緩解能源間歇性和水資源短缺提供了協(xié)同路徑，其經(jīng)濟(jì)競爭力更預(yù)示著其在可再生能源富集而淡水匱乏地區(qū)的廣闊應(yīng)用前景。盡管在極低濕度環(huán)境下的性能提升、吸附劑的長期耐用性等方面仍有改進(jìn)空間，但該項(xiàng)技術(shù)無疑為應(yīng)對兩大全球性挑戰(zhàn)開辟了一條富有吸引力的新途徑。