集成式能源转化与存储系统的研究进展

随着全球人口数量的增加和社会经济的不断发展,能源需求也相应地持续增长。非可再生能源的大量使用所引起的能源短缺和环境恶化已是人类21世纪所面临的最重要的全球性问题之一。从长远角度看,发展新能源技术来充分利用如太阳能、机械能及热能等各种“绿色”能源是解决能源及环境问题的有效途径。电能是人们在日常生活中最普遍使用的能源形式,在过去的几十年中,各种能源转换技术如太阳能电池,机械发电及热电发电技术等已经被成功应用于将各种绿色能源转化为电能;但是这类能源转换方式经常受限于这些绿色能源的间歇性和不稳定性,不能很好地与实际用电需求结合起来。其中一个重要的解决途径是把能源转化与存储过程集成到一个系统,即集成式能源转化与存储系统(IECSSs。各种各样的电化学储能器件如锂离子电池,锂空气电池,锂硫电池,液流电池以及超级电容器等都可以用作该系统的储能部分。以太阳能利用为例,许多基于太阳能的IECSSs(如太阳能充电电池、太阳能电容器)已经被报道用于太阳能的存储。在有太阳光照的情况下,IECSSs可以通过光充电或光辅助充电过程把太阳能转化为电能,同时经过电化学过程存储到该系统中;被存储的电化学能通过放电过程来输出电能到终端用电设备。与其他的太阳能利用方式如太阳能转化燃料相比,IECSSs具有许多潜在优势,如可以减少能源输出过程的能量损失,实现经济且高效的能源存储等。除了太阳能,其他类型的绿色能源如各种机械能及热能也正被越来越多地尝试用于IECSSs的设计。

ss.jpg近日,澳大利亚昆士兰大学王连洲教授课题组的罗彬等人系统地总结了近年来在IECSSs领域所取得的最新研究进展,包括基于太阳能,机械能和热能或多种能源类型的IECSSs;文章从结构设计的角度详细介绍这些不同类型IECSSs的工作机理;在此基础上,作者进一步讨论并比较了不同类型系统结构的优缺点,对当前该领域研究面临的挑战和机遇进行了分析和展望。从实用化的角度,目前该领域的研究主要集中在系统结构的设计及概念性验证,系统整体的能源转化与存储效率依然较低,与独立的能源器件相比IECSSs还有很长的路要走。尽管如此,在过去的几十年中科学家们已经在实验室成功证明了这类能源器件的无限潜力。从材料的选择以及系统结构设计角度,作者认为以下几个研究方向会引起更多关注:(1)由于系统整体能源效率决定于系统的能源转化和能源存储两个过程,因此寻找更高效的活性材料如光催化材料以及电池电极材料必将是成为近期该领域的主流研究方向之一;(2)合理的系统结构设计以及先进的组装技术也是决定系统整体效率的重要影响因素,同时也是这类器件真正走向实用化的必经之路;(3)继续探索基于不同能源种类的新概念能源转化与存储系统,这类研究更具挑战性但也必将会引起更多科研工作者的研究兴趣。随着各种新能源转化和存储技术的不断发展,以及集成式系统制造技术的不断进步,作者相信IECSSs终将成为我们日常生活中极具吸引力的能源转化及存储方式。相关论文发表在相关论文发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201700104)上。