二氧化碳也能做电池！成本比锂低 寿命却长得多

二氧化碳通常作为发电的副产品排放，有时候发电情况也会用排放多少二氧化碳来衡量。

以美国为例，2022年他们国家每发一度电大约会有0.86磅（1磅约等于453.6克）的二氧化碳排放量[1]。

图源：参考1（AI翻译）

煤电的二氧化碳排放量是所有发电形式中第二多的，达到2.3磅每度，仅次于石油的2.38磅每度，但是石油很少直接用于发电，而煤基本都是用来发电的，每个国家的电网都有较高比例的煤电装机容量。

现在，中国煤电的装机容量占总容量的40%不到点（实际发电比例要比这个高），这个比例在这几年算是下降很多了，但比起美国依然还是高的。

所以，实际上咱们国家平均每发1度电的二氧化碳排放量比美国还要高（因为煤电比例高）。

然而，很多人可能不知道，二氧化碳也可以被收集起来用于发电，它是很好的充电电池材料，能够储存电能，并在需要的时候释放这些电能。

图：手机锂电池

二氧化碳电池如何工作？

关于充电电池，很多人都会想到锂电池、纳电池等化学电池，应该很少有人会想到二氧化碳，但科学家确实找到了方法，而且已经得到应用。

锂电池或者纳电池是通过材料的氧化还原反应来实现电能的存储和释放，但是二氧化碳电池有着完全不同的电能储存和释放方式——它利用的是二氧化碳超临界流体的奇特物理性质。

当二氧化碳超过一定温度和压力——即31.1°C和7.39 兆帕时，二氧化碳就会变成超临界状态，在这种状态下，它可以像气体一样膨胀，但仍具有液体的密度。

实际上在这种状态下它可以像其它液体一样溶解一些物质，咖啡中的咖啡因很多时候就是通过超临界二氧化碳溶解的。

图：二氧化碳电池的工作原理，右边是二氧化其它，而左边三个管是储存二氧化碳液体

当然，要利用它发电或者释放电能的话，利用的是它在膨胀时保持的高密度，这样就可以将它泵送过涡轮，并驱动涡轮旋转，从而发电[2]。

放电过程解决了的话，那么如何充电呢？

这个也很简单，就是让它达到超临界的温度和压力就可以了，这个温度几乎就是常温了，所以充电时基本只要将电能转化为压力就好了。

二氧化碳电池的优缺点

实际上，利用超临界二氧化碳发电并不是什么新鲜事，它一直被提出，并已经发展为各种发电方式中蒸汽的可靠替代品——主要包括核能和聚光太阳能。

但是，就像我们看到的那样，很多人并不熟悉，这是因为它确实有一些缺点，没法广泛应用。

首先，从二氧化碳的发电原理，我们就可以知道这种电池根本无法像锂电池、纳电池那样是模块化，可以做成各种形状各种大小。

由于膨胀后变成二氧化碳气体，它需要一个相当大的空间来储存这些二氧化碳，所以它根本就无法像锂电池、纳电池那在普通老百姓身边得到广泛应用。

另一方面，它的往返效率其实并不高，大约75%前后，也就是1度电给它充电话，它只能释放出0.75度电。

作为对比，锂电池往返效率可以达到85%（化学电池是目前往返效率最高的储能方式）[3]。

不过，二氧化碳电池也是有自己的优点。

二氧化碳电池和锂电池的对比，图源：参考3

首先，它是用环保的、取之不尽的工业废料——二氧化碳，这相比于锂电池就好太多了，锂资源并不算丰富，不过纳相对好一点。

其次，二氧化碳电池的往返效率不会随着时间推移而降低，30年以上它依然可以保持在75%左右的效率，但是像锂电池这样的化学电池，它随着时间推移效率会显著下降，两三年可能就大不如从前。

另外，二氧化碳电池的放电深度在所有条件下几乎都是100%，而化学电池并不是如此，化学反应因受到各种因素影响，放电深度会出现显著变化。

最重要的是，二氧化碳电池的造价成本比化学电池要低一点，如果以存储相同电量来比较的话，每度锂电池的造价是二氧化碳电池的1.7倍左右。

其实，从二氧化碳电池的优缺点来看，它并不适合作为普通的家用电池，但它非常适合作为电网中的储能电站。

图：丰宁抽水蓄能电站

储存电力有多重要？

在河北省承德市的丰宁山上，有一座特殊的水电站，它建在山顶，平时要用电抽水上去灌满水库，然后在放水到下一个水库发电。

这个水电站就是丰宁抽水蓄能电站，它是本世纪人类建造的最大抽水蓄能电站，总投资达到192.37亿元，上水库总库容达到4504万立方米。

由于用电抽水，再放水发电，这个过程是有能量损耗的，所以很多人想不明白为什么要做这种亏本的买卖。

其实，原因很简单，国家电网的电是发多少必须用多少，不然发电站是要过热甚至烧毁掉的。

所以就需要这种储能电站，在发电量多到用不完的时候，就把电导给储能电站储能，而在发电量不足的时候，就将储能电站的电释放出来，丰宁抽水蓄能电站就是这种，它的本质也是一个“充电电池”，充电就相当于将电能转化为重力势能。

随着碳中和的相关规定，各个国家清洁能源——如风电站、太阳能的装机容量变得越来越多，但是这些发电站是靠天吃饭的，并不能人为控制时时刻刻的发电量。

二氧化碳储能电站的模拟图，图源：参考3

所以，随着这些不稳定的清洁能源使用的变多，储能电站的需求会越来越大的，二氧化碳电池也可以像抽水蓄能电站一样，在发电量大的时候给它充电，而发电量不足的时候再释放电能。

不过，二氧化碳电池的往返效率比抽水蓄能电站要差一些，好在它利用的是二氧化碳，这算碳排放的合理利用了。

最后，还有一点值得一提，虽然二氧化碳非常稳定，无毒无害，但今年意大利即将上线的一个二氧化碳电池储能电站，可能需要储存1000吨二氧化碳——一个巨大的穹顶结构用于储存，这将会是一个相当危险的设施。

如果这些二氧化碳不小心泄漏的话，可能会导致周围相当宽范围内的生物集体死亡。

参考：

[1].https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=74&t=11

[2].https://spectrum.ieee.org/this-power-plant-runs-on-co2

[3].https://energydome.com/co2-battery/