近日，上海交大制冷与低温工程研究所教授王如竹和研究员李廷贤领衔的能源-空气-水ITEWA团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）在能源化学领域期刊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。论文第一作者是博士研究生严泰森和李廷贤，通讯作者是李廷贤和王如竹。
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，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，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。
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
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，储热阶段，利用热空气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2 吸附热池搭建及性能测试
研究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专项的资助，由上海交通大学制冷与低温工程研究所、俄罗斯科学院Boreskov催化研究所、印度科学学院三方课题组合作完成。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00284
文章来源：上海交通大学、材料科学与工程
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