【選題背景】

目前，全球能源消耗正在迅速增加，化石燃料的應(yīng)用預(yù)計(jì)將很快達(dá)到峰值。人們對(duì)能源總量的焦慮越來(lái)越大，二次能源的綜合利用也在如火如荼地進(jìn)行。然而，能源革命的進(jìn)程不僅取決于技術(shù)的核心，還取決于具體的成本利益和社會(huì)現(xiàn)狀。除了傳統(tǒng)的可再生資源產(chǎn)業(yè)研究領(lǐng)域，化學(xué)研發(fā)人員還需要做哪些研究？

基于此，美國(guó)杜蘭大學(xué)Bruce C. Gibb在Nature 在Chemistry上發(fā)表題為“Carnot batteries for dispatchable renewables研究論文中，作者提出了一個(gè)經(jīng)典的概念——卡諾電池，即熱存儲(chǔ)領(lǐng)域。筆者認(rèn)為，雖然熱儲(chǔ)存看上去并不像電化學(xué)電池那樣高檔繁雜，但其內(nèi)部仍然蘊(yùn)含著豐富的機(jī)制和機(jī)遇。這項(xiàng)工作為化學(xué)研究開(kāi)發(fā)者開(kāi)辟新的研究?jī)?nèi)容提供了新的思路。

[圖文介紹][圖文介紹]

近40年來(lái)，全球能源消耗增長(zhǎng)約80%，達(dá)到60%。 × 1020焦耳，或略低于6,700公斤物質(zhì)（E = mc2）。考慮到越來(lái)越多的主權(quán)國(guó)家擁有新興產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，以及全球人工智能的普及，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)只會(huì)繼續(xù)。對(duì)一些意識(shí)到地球是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，并考慮燃燒化石燃料的后果的人來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是個(gè)壞消息。幸運(yùn)的是，能源來(lái)源不是一成不變的；在此期間，石油和煤炭(以及核能)的能源產(chǎn)生比例明顯下降，而可再生資源的比例增加到幾乎滿足全球能源供應(yīng)的三分之一。

然而，在過(guò)去的40年里，并不是所有的消息都是積極的；天然氣的使用也增加了，因?yàn)樗紵酶蓛?，可以在不改變社?huì)行為的情況下取代石油和煤炭。但是，這種趨勢(shì)掩蓋了一個(gè)事實(shí)，即化石燃料的應(yīng)用預(yù)計(jì)將在2030年前達(dá)到頂峰。這一峰值并非過(guò)去所說(shuō)的“哈伯特峰值”（Hubbert’s Peak），也就是說(shuō)，氮氧化合物供應(yīng)有限，并且隨著時(shí)間的推移呈現(xiàn)正態(tài)分布曲線。這次的峰值并非由于供應(yīng)限制所致，而是基于需求。

為什么會(huì)出現(xiàn)新的峰值？化石燃料燃燒帶來(lái)的污染問(wèn)題。不管是局部問(wèn)題(如心肺疾病或生活質(zhì)量問(wèn)題)、更廣泛的擔(dān)憂(如海平面上升對(duì)沿海地區(qū)的影響)或全球性問(wèn)題(如氣候問(wèn)題)，正在減少公眾對(duì)燃燒化石燃料后果的需求。但是，由于成本和社會(huì)生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)鏈，化石燃料的淘汰速度并沒(méi)有想象中那么快。幸運(yùn)的是，另一個(gè)因素正在發(fā)揮作用:可再生資源(如太陽(yáng)能和風(fēng)能)的經(jīng)濟(jì)成本正在下降，低于化石燃料。無(wú)論是污染嚴(yán)重還是成本原因，對(duì)化石燃料的需求都將達(dá)到峰值。

圖1 熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)卡諾電池簡(jiǎn)化方案

在可再生資源研究中，化學(xué)學(xué)科最明顯的作用是不斷開(kāi)發(fā)新的電化學(xué)電池技術(shù)。例如，開(kāi)發(fā)一種能夠在寬溫范圍內(nèi)高效運(yùn)行的電化學(xué)系統(tǒng)，或者依靠廉價(jià)豐富的元素進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，從而使能源民主化——當(dāng)然，尋找能量密度更高的反應(yīng)技術(shù)；每個(gè)人都關(guān)注文獻(xiàn)中出現(xiàn)的相關(guān)研究浪潮。此外，還有光伏技術(shù)的不斷研究，開(kāi)發(fā)替代燃料(如氨或氫)的電化學(xué)或催化生成技術(shù)等...有無(wú)數(shù)的研究?jī)?nèi)容。

那還有哪些領(lǐng)域需要深入研究，但現(xiàn)在卻相對(duì)被科學(xué)家忽視了？讓我們看看另一種電池：卡諾電池（Carnot Battery）?？ㄖZ電池由三個(gè)主要部件組成:一個(gè)用于將電能轉(zhuǎn)化為熱能，另一個(gè)用于儲(chǔ)存熱能，另一個(gè)用于將熱能轉(zhuǎn)化為電能(如圖1所示)。

熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)能夠?qū)⒛芰績(jī)?chǔ)存的時(shí)間從幾個(gè)小時(shí)延長(zhǎng)到幾個(gè)月，甚至幾年。這一技術(shù)規(guī)?？蓮膯我患彝ス┡?，到區(qū)域供暖，再到區(qū)域等級(jí)。所以，它們是保證可靠能源需求的最佳方法。儲(chǔ)存熱能的方法有三種：“顯熱儲(chǔ)存”(簡(jiǎn)單地加熱一種材料)；潛熱儲(chǔ)存，利用改變內(nèi)部能量流動(dòng)；以及熱化學(xué)過(guò)程，依靠可逆化學(xué)過(guò)程(如反應(yīng)或吸附)的能量學(xué)。這是一系列適合各種需求的定制技術(shù)，將電能(或更常見(jiàn)的能量)轉(zhuǎn)化為熱能和相反的不同方法相結(jié)合。一般來(lái)說(shuō)，潛熱儲(chǔ)存一般提供比顯熱儲(chǔ)存高一個(gè)數(shù)量級(jí)的能量?jī)?chǔ)存密度，因?yàn)闈摕嵋话惚蕊@熱導(dǎo)率高(在典型溫度范圍內(nèi))。類似地，熱化學(xué)能源存儲(chǔ)通常提供比顯熱存儲(chǔ)高一個(gè)數(shù)量級(jí)的能量存儲(chǔ)密度。

顯熱儲(chǔ)存系統(tǒng)是最成熟的熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于選擇一種熱導(dǎo)率高、溫度范圍廣、易得材料。由于水的易得性和較高的熱導(dǎo)率，它成為顯熱儲(chǔ)存的主要選擇之一。聚光太陽(yáng)能發(fā)電中還應(yīng)用了顯熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，它利用鏡片或鏡片將來(lái)自大陣型的光聚焦在接收器上產(chǎn)生太陽(yáng)能。很明顯，這種技術(shù)只能在太陽(yáng)直射時(shí)進(jìn)行調(diào)度。聚光太陽(yáng)能發(fā)電需要與熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)相結(jié)合，才能使產(chǎn)生的能量能夠全天候供應(yīng)，從而真正實(shí)現(xiàn)可調(diào)度。高溫儲(chǔ)存系統(tǒng)還可采用混凝土、巖層、沙子、土壤等廉價(jià)易得的固體材料。雖然它們的導(dǎo)熱系數(shù)不如水，但是它們可以在環(huán)境效應(yīng)下加熱到更高的溫度。

第2類熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)-潛熱儲(chǔ)存-依賴于通過(guò)改變儲(chǔ)存熱量的材料。這類系統(tǒng)的容量一般高于顯熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，并且有額外的優(yōu)點(diǎn)，即相變過(guò)程是等溫的，然后在運(yùn)行過(guò)程中最小化熱應(yīng)力。所需的相變材料一般分為無(wú)機(jī)或有機(jī)材料，以及固-液或固-固。對(duì)常見(jiàn)的酸鹽、水合物、共熔混合物等無(wú)機(jī)相變材料進(jìn)行了大量的研究，因?yàn)槊總€(gè)單位體積的潛熱一般都高于有機(jī)材料，這使得它們成為一種流行的選擇。然而，這里的一個(gè)限制因素是，許多系統(tǒng)不兼容熔化或結(jié)晶；雖然一種替代材料可能有合適的潛熱和理想的溶解點(diǎn)，但如果不兼容熔化或不兼容結(jié)晶，就沒(méi)用了。另一方面，石蠟、脂肪酸、長(zhǎng)鏈純脂、聚醇等有機(jī)相變材料在低溫系統(tǒng)中表現(xiàn)出潛力，具有耐化學(xué)性，一般表現(xiàn)出優(yōu)異的熔化和結(jié)晶行為。另外，與酸鹽不同，它們通常沒(méi)有腐蝕問(wèn)題。

最后是一個(gè)熱化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)，涉及到一個(gè)可逆的化學(xué)過(guò)程。作為最不成熟的熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)，科學(xué)家可能真的可以深入研究一些基礎(chǔ)化學(xué)行業(yè)。這些系統(tǒng)可以涉及價(jià)格鍵變化或非共價(jià)相互作用的簡(jiǎn)單形成/斷裂，例如吸附過(guò)程中的情況。前者更適合高溫應(yīng)用，后者適合低溫應(yīng)用。

【總結(jié)與展望】

綜上所述，雖然新能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究已經(jīng)非常廣泛，但傳統(tǒng)和自然的“卡諾電池”熱存儲(chǔ)循環(huán)特性研究仍有很大的研發(fā)潛力，潛熱、顯熱和熱存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研究仍然是獨(dú)一無(wú)二的，不斷吸引感興趣的化學(xué)研究者的注意力。

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原標(biāo)題：“卡諾電池-能源革命背景下被忽視的行業(yè)”

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