制冷与低温工程研究所

上海交大ITEWA团队在ACS Energy Letters期刊发表“从空气中取能的超高能量密度吸附热池”研究论文

近日，上海交大机械与动力工程学院制冷与低温工程研究所王如竹教授和李廷贤研究员领衔的能源-空气-水ITEWA团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源化学领域顶级期刊ACS Energy Letters上发表了题目为“Ultrahigh-Energy-Density Sorption Thermal Battery Enabled by Graphene Aerogel-Based Composite Sorbents for Thermal Energy Harvesting from Air”的研究论文。该论文提出了基于石墨烯气凝胶复合吸附剂的超高能量密度吸附热池，通过石墨烯气凝胶复合吸附剂与空气中水蒸汽之间的解吸-吸附实现储热与放热，同时通过热力循环实现储热阶段的热能梯级利用和放热阶段的热能提质利用，能量密度可高达1580 Wh·kg^-1, 是传统显热/相变储热的20-30倍。第一作者是上海交通大学博士研究生严泰森和李廷贤研究员，通讯作者是李廷贤研究员和王如竹教授。

储能技术是实现可再生能源规模化高效可靠利用的关键支撑技术，近年来以电池为代表的储电技术发展迅猛并已得到商业化应用，相对而言储热技术的发展比较缓慢，目前主要以低能量密度的显热储能和相变潜热储能为主，亟待探究低成本、高能量密度、高功率密度的新型储热技术。热化学储能技术因具有高能量密度的优势近年来得到了广泛关注，已成为高密度储热的研究前沿和热点，该储热技术通过反应盐的解吸/分解-吸附/合成过程实现热能的存储与释放。目前热化学储能面临的瓶颈难题是反应盐经多次循环后会出现膨胀结块现象，导致传质恶化、反应活性衰减和反应速率下降，严重影响储热性能，将反应盐负载至多孔基质（如硅胶、沸石、MOF、碳材料等）制备复合材料是解决上述难题的有效途径，同时可缓解反应盐的潮解泄露和腐蚀等问题。但传统多孔基质材料的孔隙率较低导致复合材料的盐负载量低和传质缓慢，造成复合材料的储热能量密度和功率密度较低，因此开发高性能的复合材料对发展热化学储能技术具有重要的研究意义和应用价值。

论文作者提出了基于水蒸汽吸附/解吸从空气中取能的吸附热池（图1），储热阶段，利用热空气（来源于太阳能、工业余热或低谷电等）驱动吸附热池的吸附剂发生解吸反应，将热空气的显热以吸附剂-水的吸附势能形式存储在吸附热池，同时热空气温度从Th降至Tw，然后通过热能的梯级利用实现向外界的供热；放热阶段，冷空气流过吸附热池驱动水分子与吸附剂发生吸附反应，利用吸附剂-水吸附反应释放的吸附热将冷空气从Ta加热至Tw，通过热能的品位提升实现向外界的供热。相比于传统储热装置的间断运行，吸附热池结合储热过程的热能梯级利用与放热过程的热提质利用，可提高能源利用效率和实现连续供热输出。

图1.基于水蒸汽吸附/解吸实现连续供热的吸附热池工作原理

采用“水热合成-溶液浸渍法”制备了石墨烯气凝胶复合吸附材料，利用石墨烯气凝胶的高孔隙率特性和三维多孔骨架结构为反应盐的吸附-解吸过程提供传质通道，该方法通过调节负载盐的浓度可控制盐的负载量，制备的石墨烯气凝胶复合吸附剂CaCl₂@GA具有极高的盐负载量（91-96 wt%），显著高于已有文献报道的沸石（25 wt%）、硅胶（30-40 wt%）、MOF有机金属框架（70 wt%）、膨胀石墨（80 wt%）、水凝胶（85 wt%）等基质材料的复合吸附剂。复合吸附剂CaCl₂@GA的吸附-解吸过程为多步反应过程，实现了固-气化学吸附、固-液潮解和溶液吸收的耦合，相对湿度工况30-90%下CaCl₂ @GA吸附量可达0.76-2.89 g·g^-1，是物理吸附剂硅胶/沸石的7-14倍。通过热分析测得CaCl₂@GA的储热能量密度可达7768 kJ·kg^-1（2158 Wh·kg^-1）。相比于现有报道的吸附剂，CaCl₂@GA在低、中、高湿度范围内都具有明显的吸附性能优势。

采用模块化的石墨烯气凝胶复合吸附剂组装构建了吸附热池，采用强制对流提高水分子在吸附剂表面的传输与热量传递，保证了吸附热池内部有效的热质协同传递。储热阶段，热空气（50-80 ^oC）流入吸附热池驱动CaCl₂@GA发生解吸反应实现热量存储，释放部分显热后温度降低含湿量增加，两小时内可实现85%以上储热容量的热量存储；放热阶段，冷空气（20 ^oC，60-90% RH）通入吸附热池，CaCl₂@GA通过捕获空气中的水分子发生吸附反应释放出热量，将空气加热实现供热，维持3-6 h的放热过程。实验结果表明基于石墨烯气凝胶复合吸附剂的吸附热池可实现储热能量密度1580 Wh·kg^-1和功率密度达815 W·kg^-1，且在不同的湿度条件下吸附热池可将空气温湿度调节至舒适区间。

图2 吸附热池搭建及性能测试

论文工作提出了从空气中取能实现超高能量密度储热的吸附热池，采用“水热合成-溶液浸渍法”制备了石墨烯气凝胶复合吸附材料，利用石墨烯气凝胶的高孔隙率特性和三维多孔骨架结构提高了反应盐的吸附-解吸传质性能，实现了反应盐固-气化学吸附、固-液潮解和溶液吸收的多步耦合，具有盐负载量高（96 wt%）、吸附量大（2.89 g·g^-1）、吸附速率快和稳定性好的优势。在此基础上采用模块化石墨烯气凝胶复合吸附剂构建了从空气中取能的吸附热池，通过耦合储热过程的热能梯级利用与放热过程的热能提质利用实现了吸附热池向外界的连续供热，储热能量密度高达1580 Wh·kg^-1、功率密度达815 W·kg^-1，该工作为低碳高效、高能量密度、高功率密度的热能收集、储存和利用提供了新思路。

研究得到了国家重点研发计划项目金砖国家BRICS专项（2018YFE0100300）的资助，由中方上海交通大学制冷与低温工程研究所、俄方俄罗斯科学院Boreskov催化研究所、印方印度科学学院三方课题组合作完成。

王如竹教授领衔的ITEWA团队近年来在Joule、Energy & Environmental Science、Advanced Material、ACS Energy Letters、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science、Energy Storage Materials、Nano Energy 等国际期刊上发表系列跨学科交叉论文，该团队致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。

附：期刊简介

《ACS Energy Letters》是美国化学学会ACS出版社旗下的能源类综合性旗舰期刊（影响因子19.003），致力于发表与能源相关的新颖性高水平论文，目前在Web of Science 的Electrochemistry category期刊排名中位列第一。

Taisen Yan, Tingxian Li*, Jiaxing Xu, Jingwei Chao, Ruzhu Wang*, Yuri I. Aristov, Larisa G. Gordeeva, Pradip Dutta, and S. Srinivasa Murthy, Ultrahigh-Energy-Density Sorption Thermal Battery Enabled by Graphene Aerogel-Based Composite Sorbents for Thermal Energy Harvesting from Air, ACS Energy Letters, 2021, 6, 1795–1802.

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00284