趙天壽院士：流體電池是實現(xiàn)新能源規(guī)?；玫挠行緩街?/p>

趙天壽，中國科學(xué)院院士，中科智庫首批入庫專家兼審核委員會委員，工程熱物理與能源科學(xué)專家，香港科技大學(xué)能源研究院院長。

趙天壽長期致力于熱質(zhì)傳遞理論和電池儲能技術(shù)的研究。建立了電池儲能系統(tǒng)中熱質(zhì)傳遞和電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換的耦合理論，提出了可充放電的液態(tài)能量載體儲電的新方法，在解決風(fēng)光電并網(wǎng)難題、實現(xiàn)可再生能源規(guī)模利用、解決空氣污染與氣候變化問題等方面將發(fā)揮重要作用。

目前我國采用的太陽能、風(fēng)能產(chǎn)生的電存在波動性、不穩(wěn)定性，因此造成了大量資源浪費和資金損失。為此趙天壽提出了電燃料儲能（e-fuel）的概念，這是一種液態(tài)能量載體，可以儲存電能，以循環(huán)充放電液體為介質(zhì)的儲能系統(tǒng)。簡單來說就是，將充好電的載電液體直接灌入電燃料電池中使用，該系統(tǒng)沒有貴金屬元素催化劑，可以極大地降低投資成本。并且充電裝置沒有任何地域限制，隨時隨地將大地上的光和風(fēng)變?yōu)殡娙剂?，高效的提供新的能源動力，并且由于是液態(tài)可輸運不同的地方。

趙天壽指出，電池儲能，特別是流體電池（燃料電池，液流電池，金屬空氣電池），是實現(xiàn)新能源規(guī)?；玫挠行緩街?。他說，“早在2016年，我就開始構(gòu)想一種燃料電池，可以讓液體充上電。以金屬離子電燃料為例，充電前是高價態(tài)，通入電流之后的電子變?yōu)榈蛢r態(tài)，就實現(xiàn)了電燃料的充電。整個能量轉(zhuǎn)化過程是一種“電到電”的轉(zhuǎn)化過程，有非常高效的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)?！彼硎荆噍^于其它可再生能源儲能技術(shù)，流體電池儲能技術(shù)更具前景性，其最大優(yōu)勢就是可以滿足新能源的規(guī)模化、高效率、低成本、耐久、安全等大量要求。

趙天壽稱，“該系統(tǒng)的儲能循環(huán)效率高于80%，單算充電，效率可達(dá)90%以上，而在放電過程中，還達(dá)到了高功率密度。電燃料的儲能系統(tǒng)充電過程很快，可再生能源可以高效快速地充進(jìn)電燃料，然后被靈活方便地運輸、使用。”如果電燃料儲能可以同風(fēng)、光、水等清潔能源結(jié)合，就可以解決能源短缺、減少碳排放及環(huán)境污染等問題。不僅如此，電燃料儲能系統(tǒng)的容量沒有限制，由電燃料的體積來決定。電燃料充電站可以源源不斷地將可再生能源轉(zhuǎn)化為電燃料，電燃料電池又可隨時隨地、高效高功率地為用戶提供清潔電源。

目前，趙天壽帶領(lǐng)團(tuán)隊正在研發(fā)電燃料儲能系統(tǒng)在汽車動力和大型固定式儲能設(shè)施等方面的落地應(yīng)用。對于車用動力電源，重點研究能量密度和功率密度，盡可能讓電燃料電池體積更加緊湊，使得加一次電燃料可行駛更長距離；固定式儲能方面，該團(tuán)隊已經(jīng)在試驗千瓦級儲能設(shè)施。

發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)低碳化轉(zhuǎn)型，減少溫室氣體排放，已成為全世界的共識。趙天壽認(rèn)為，實現(xiàn)綠色發(fā)展，除了單一技術(shù)開發(fā)外，還要促進(jìn)技術(shù)之間的協(xié)調(diào)、融合發(fā)展，使它們能夠組成一個有機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)而實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性調(diào)整。他說，目前，我國技術(shù)間的不協(xié)調(diào)、不匹配，限制了技術(shù)的推廣應(yīng)用。而技術(shù)間的交叉、融合可以提高新技術(shù)的競爭力，加快技術(shù)的轉(zhuǎn)化應(yīng)用速度。

趙天壽說，實現(xiàn)碳中和是綠色發(fā)展的重要目標(biāo)，最關(guān)鍵的是實現(xiàn)太陽能、風(fēng)能對化石能源的規(guī)?；娲?。他表示，我國二氧化碳排放力爭在2030年前達(dá)到碳達(dá)峰。解決這一問題，太陽能和風(fēng)能的占比要達(dá)到60%以上，但是目前我們只有5%的占比。因此，研究清潔高效能源是未來重要的創(chuàng)新方向之一。

直接甲醇燃料電池被認(rèn)為是最有前途的清潔高效能源電池之一，其中，質(zhì)子交換膜是影響直接甲醇燃料電池能量效率、功率密度的核心部件。趙天壽說，質(zhì)子交換膜的性能是現(xiàn)在面臨的一個“卡脖子”問題。目前燃料電池用的質(zhì)子交換膜主要是美國杜邦公司生產(chǎn)的Nafion膜，最大問題是甲醇滲透率高。這會造成甲醇燃料的浪費，降低能源利用效率；如果發(fā)生負(fù)反應(yīng)，還會導(dǎo)致催化劑中毒，大大降低電池性能，縮短電池壽命。

2019年，趙天壽帶領(lǐng)團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)了新型二維碳納米材料石墨炔，這是一種較為理想的質(zhì)子交換膜材料，具備高選擇性和高導(dǎo)電性，能有效阻隔甲醇燃料的滲透。趙天壽通過原子尺度的模擬，對石墨炔界面處的質(zhì)子及甲醇分子的穿透行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)石墨炔孔徑大于1.2納米時，石墨炔和水形成的是一個水相-真空相交錯的界面，水相使質(zhì)子快速傳導(dǎo)，真空相可以有效地阻擋甲醇分子的穿透。這為零滲透質(zhì)子選擇膜的設(shè)計提供了新的可能性。趙天壽說，未來我們還將繼續(xù)探究其他質(zhì)子交換膜材料，開展可行性研究，解決實際問題。（來源：中科智庫官方微信公眾號 文/王慧蘭）

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趙天壽，中國科學(xué)院院士，中科智庫首批入庫專家兼審核委員會委員，工程熱物理與能源科學(xué)專家，香港科技大學(xué)能源研究院院長。

長期致力于熱質(zhì)傳遞理論和電池儲能技術(shù)的研究。針對國家對可再生能源利用的重大需求，圍繞燃料電池、液流電池、金屬空氣等流體電池儲能裝置中能量傳遞與轉(zhuǎn)換關(guān)鍵科學(xué)問題，建立了電池儲能系統(tǒng)中熱質(zhì)傳遞和電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換的耦合理論，提出了熱、質(zhì)、電子及離子協(xié)同傳輸方法，突破了高功率流體電池設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。提出了以可充放電的液態(tài)能量載體儲電的新方法，發(fā)明了充、放電裝置彼此獨立的新型儲能系統(tǒng)，取得了系統(tǒng)效率與輸出功率的同時躍升，將在解決風(fēng)光電并網(wǎng)難題、實現(xiàn)可再生能源規(guī)模利用、解決空氣污染與氣候變化問題等方面將發(fā)揮重要作用。

曾獲Croucher資深研究成就獎、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎、國家自然科學(xué)獎、香港科大工程學(xué)杰出研究成就獎。發(fā)表SCI論文383篇，SCI引用19000余次，連續(xù)6年入選全球高被引科學(xué)家和最有影響力科學(xué)思想名錄。出版英文專著5部、中英文專著章節(jié)9篇。