氢介导的酸-碱液流电池：耦合储能与海水淡化的新型可持续技术

《Desalination》：Coupled energy storage and desalination in a hydrogen-mediated acid-base flow battery

本文针对淡水资源紧张与可再生能源间歇性供给的“水-能”耦合难题，提出了一种基于氢介导的酸-碱液流电池（ABFB）的新型集成系统。该研究巧妙地将电化学储能与脱盐过程相结合，利用丰富无毒的NaOH/HCl电解质和氢气作为氧化还原介体，实现了脱盐与储能的闭环运行。实验表明，在7?mA?cm?2下，该装置可将0.5?M NaCl脱盐31%，离子去除效率达90–97%，水回收率为50%。通过优化设计，其单位能耗可低至14–18?kJ?mol(NaCl)?1。该工作为利用可再生能源进行分散式海水淡化与能量管理提供了一条可持续且可扩展的技术路径，具有重要的工程应用前景。

　　

想象一下这样一个场景：在阳光充沛、风力强劲的沿海地区，丰富的可再生能源本应是解决当地能源和水资源短缺的福音。然而，风能和太阳能的间歇性特质，使得电力供应时断时续，难以稳定支持海水淡化这类高能耗过程。与此同时，全球约17%的人口生活在缺水高风险地区，到205年，这一比例可能超过50%。这就是著名的“水-能”耦合困境——解决水资源短缺的海水淡化技术受制于高昂且不稳定的能源需求，而清洁能源的有效利用又需要匹配灵活的储能方案。传统的海水反渗透、电渗析等技术虽高效可靠，但通常依赖稳定、集中的电网供电，难以适应分散、波动的可再生能源场景。此前，试图将储能与脱盐结合的“脱盐电池”也面临两难选择：要么使用有毒、稀缺或昂贵的氧化还原活性物质，要么依赖外部供给的酸、碱等化学品，这牺牲了系统的可逆性和运行自主性。那么，能否找到一种使用地球储量丰富、无毒的材料，实现储能与脱盐真正闭环集成的技术呢？

近日，发表在《Desalination》上的一项研究给出了一种新颖的解决方案。Pavel A. Loktionov、Afke G.M. Damen、Vojtěch Konderla 和 David A. Vermaas 等研究人员提出了一种“氢介导的酸-碱脱盐液流电池”，它巧妙地利用氢气作为氧化还原介体，仅使用氢氧化钠（NaOH）、氯化钠（NaCl，源自海水）和盐酸（HCl）这些丰富无毒的化学品，就在一个装置内同时实现了电化学能量储存和海水淡化，无需外部供给化学原料，为破解“水-能”困局提供了新思路。

为了验证这一概念，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：他们设计并搭建了一套定制化的三室流通池，由两个装有气体扩散电极（GDEs，负载铂催化剂）的电极室（酸性室和碱性室）和一个中央盐水室构成，各室之间通过阴离子交换膜（AEM）和阳离子交换膜（CEM）隔开。他们系统地测试了电池在不同脱盐度（DD，从0%到98%）下的开路电压、极化曲线和电池内阻，以评估其电化学性能和能量消耗。通过离子色谱（IC）和pH测量，对脱盐过程中的钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl^?）浓度变化进行实时监测，计算脱盐的电流效率和离子去除率。此外，他们还对电池内阻进行了分解分析，并基于此构建了模型，模拟了特定能耗（SEC）随脱盐度的变化，并评估了一个采用先进膜和更薄流道的“乐观低阻”情景下的潜在性能提升。

概念验证与电池特性

该装置的核心在于利用酸-碱液流电池（ABFB）的架构，将储能与脱盐内在地耦合起来。充电时，电能转化为储存在酸和碱中的化学能，同时中央室的Na⁺和Cl^?分别通过CEM和AEM迁移到碱室和酸室，实现脱盐；放电时，过程逆转，中央室被重新盐化。研究表明，电池的开路电压（E_cell）随脱盐度增加而升高（从720 mV到896 mV），与理论预测吻合良好。同时，电池的（面积）内阻（R_cell）在脱盐度低于75%时缓慢增加，之后则急剧上升，例如在98%脱盐度时，内阻高达843?Ω?cm²，是初始值的9.3倍，这凸显了中央室电解液电导率在深度脱盐时对性能的关键限制。

脱盐电流效率与可逆储能

在7 mA cm^?2的电流密度下运行3小时（约实现31%脱盐）的实验显示，该装置的脱盐电流效率高达90%至97%，表明Na⁺和Cl^?通过离子交换膜的定向迁移效率很高，副反应和反向扩散影响很小。尽管采用了酸浓度（0.1 M HCl）远低于碱浓度（1 M NaOH）的不对称电解液配置以保护电极，中央室仅观察到轻微的酸化，H⁺/OH^?交叉对整体脱盐效率的影响微乎其微。这证明该装置在海水（~0.5 M NaCl）部分脱盐的工况下运行良好。

脱盐的特定能耗

特定能耗是衡量脱盐技术的关键指标。分析表明，在0%到约75%的脱盐度范围内，特定能耗随脱盐度单调递增，这主要受pH差增大和电池内阻增加驱动。在深度脱盐（>90% DD）阶段，能耗急剧上升，主要由被耗尽的中央盐水室（低电导率）的电阻主导。内阻分解分析指出，在低脱盐度下，阴离子交换膜的贡献最大；而在高脱盐度下，中央室的电阻成为主导。研究人员进一步提出了一个“乐观情景”，即采用更薄的流道和更低电阻的先进离子交换膜。在此情景下，电池总内阻可大幅降低，使得在5 mA cm^?2下，从0%脱盐到98%的平均单位能耗可低至14–18?kJ?mol(NaCl)^?1，且允许的工作电流密度范围可扩大近一个数量级，展示了通过优化设计大幅提升性能的潜力。

储能与脱盐的结合应用

研究人员提出了一种半间歇式操作模式，以耦合储能与脱盐。在可再生能源过剩时，电池充电并淡化一部分海水；在需要电能时，电池放电并将能量输出，同时对新的盐水进行盐化。在一个包含充电至98%脱盐度、更换中央室盐水、再放电回原始状态的完整循环模拟中，在优化电池设计下，电压效率（η_V）在高达16 mA cm^?2的电流密度下仍可超过80%。这表明，在维持长期稳定性的前提下，该电池可以高效地将脱盐作为一项附加功能，而能量损失很小。

应用前景与挑战

与主流脱盐技术对比，该装置在优化情景下的能耗指标与领先的脱盐液流电池相当，同时解锁了通过使用丰富化学品进行储能带来的额外价值。其优势在于无需外部化学品供应链，且避免了传统电解槽-燃料电池组合中因氧电化学反应带来的高电压损失。因此，它非常适合作为分散式沿海电网的前端预脱盐单元，或用于缺乏稳定能源供应的脱盐场景。当然，迈向实际应用仍需应对挑战，包括通过优化膜和操作条件进一步平衡H⁺/OH^?交叉、确保膜和电极材料的长期化学稳定性、解决系统复杂性以及降低对铂族金属催化剂的依赖。

综上所述，这项研究成功展示了一种基于氢介导酸-碱液流电池的新型集成系统。其核心创新在于利用氢气作为高效的氧化还原介体，仅使用地球储量丰富且无毒的NaOH和HCl，在同一装置内实现了可逆的电化学能量储存和海水淡化，无需外部化学输入。实验证实，该装置在部分脱盐海水时表现出高电流效率（90-97%）和合理的能耗。性能模拟表明，通过采用先进的膜和优化的池体设计，其单位能耗可大幅降低至14–18?kJ?mol(NaCl)^?1，达到与主流脱盐液流电池相当的水平。这项工作不仅为“水-能耦合”难题提供了一个可持续、可扩展的解决方案，更重要的是，它展示了一种利用良性、丰富化学品，将储能与资源回收（此处为淡水）紧密结合的创新技术路径，对于推动可再生能源在偏远沿海地区的综合利用、构建更具韧性的分散式水-能系统具有重要的启示意义。