清潔的可再生電能（太陽能和風(fēng)能），由于間歇性、波動性和地域分布不均的特點(diǎn)，未能大規(guī)模替代當(dāng)前的化石能源。儲能技術(shù)作為中間“緩沖帶”，可以消納日益增加的可再生電能，并按需轉(zhuǎn)化為有序電能。由此，一系列電化學(xué)儲能技術(shù)（如鋰/鈉離子電池，氧化-還原液流電池、鋰硫電池、鋅-空氣電池等）得以蓬勃發(fā)展。但是，受限于材料、設(shè)備投資、操作和維護(hù)成本等方面的高資本支出，這些電池在規(guī)?；瘍δ苌系慕?jīng)濟(jì)可行性仍然具有挑戰(zhàn)性。
近日，清華大學(xué)的段昊泓副教授課題組提出了一種全新的“生物質(zhì)電池”概念，該電池基于生物質(zhì)平臺分子糠醛的氧化還原性，與可逆的電池材料配對耦合，實(shí)現(xiàn)了電池充放電過程聯(lián)產(chǎn)高附加值化學(xué)品（糠醇和糠酸）。這一研究策略有望降低電池系統(tǒng)的整體成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。
作者首先驗(yàn)證了生物質(zhì)電池概念可行性。使用Cu為雙功能催化劑，實(shí)現(xiàn)了在-0.83 V電位處附近糠醛的氧化還原，通過選取具有較高理論電位（0.49 V）的Ni(OH)2材料為電池正極，開路電壓可達(dá)1.31 V。該電池在充電過程中，糠醛發(fā)生還原反應(yīng)生成糠醇，伴隨正極Ni(OH)2氧化為NiOOH并存儲電荷；在放電過程中，糠醛發(fā)生還原反應(yīng)生成糠酸，伴隨正極NiOOH還原為Ni(OH)2并釋放電荷。 在以上基礎(chǔ)上，作者進(jìn)一步設(shè)計(jì)了單原子銠-銅合金（Rh1Cu），作為雙功能電催化負(fù)極，使糠醛還原到糠醇的法拉第效率從22%提升至73%。使用鈷摻雜的氫氧化鎳（Co0.2Ni0.8(OH)2）作為電池正極，有效避免了OER與Ni(OH)2氧化生成NiOOH過程的競爭，提高了氧化還原的可逆性，提供了216 mAh g–1的電池容量。 作者將Rh1Cu單原子合金催化負(fù)極與Co0.2Ni0.8(OH)2電池正極組裝為流動全電池，其開路電壓為1.29 V，峰值功率密度高達(dá)107 mW cm-2，放電容量（19.6 mAh cm-2，相當(dāng)于~150 mAh g-1）、庫侖效率（20 mA cm-2時(shí)達(dá)95%）、能量密度（19.8 mWh cm-2）和能效（62%），可媲美主流的鋅-空氣電池，同時(shí)優(yōu)于大部分文獻(xiàn)報(bào)道的電催化-電池混合體系。 相比于主流電池，該電池的顯著優(yōu)勢為，在充放電時(shí)聯(lián)產(chǎn)高附加值的化學(xué)品（糠醇和糠酸），具備以不同的充放電速率實(shí)現(xiàn)化學(xué)品生產(chǎn)和電力存儲與釋放的能力。如以50 mA cm-2的電流密度進(jìn)行充放電，在輸出0.78度電時(shí)可生產(chǎn)1公斤糠酸，在存儲1度時(shí)生產(chǎn)0.62公斤糠醇。 初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，該生物質(zhì)電池每消耗1噸糠醛，帶來132美元的收益；每釋放1度電力，帶來0.4美元的收益，即度電成本為?0.4 $/kWh，低于美國能源部設(shè)定的目標(biāo)（0.1 $/kWh）。作者認(rèn)為，該電催化-電池復(fù)合系統(tǒng)適用于生物質(zhì)資源和可再生電能豐富的應(yīng)用場景，有望實(shí)現(xiàn)分布式儲能。 論文信息 Rechargeable Biomass Battery for Electricity Storage/generation and Concurrent Valuable Chemicals Production Jing Li, Kaiyue Ji, Boyang Li, Ming Xu, Ye Wang, Hua Zhou, Qiujin Shi, Haohong Duan 文章的第一作者是清華大學(xué)水木學(xué)者博士后李敬 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202304852
