Advanced Science： 利用可充電海水電池同時進行儲能和海水淡化：可行性和未來發展方向

文：SSC

第一作者：Moon Son

通訊作者：Youngsik Kim，Kyung Hwa Cho

通訊單位：蔚山國立科學技術研究所

DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202101289

背景

可充電海水電池(SWB)是一種獨特的能將海水直接轉化為可再生能源的儲能系統。在SWB陽極和陰極之間放置海水淡化隔間可以在給SWB充電的同時進行海水淡化。由于海水淡化是一項成熟的技術，主要由反滲透(RO)等基于膜的過程占據，因此必須考慮替代海水淡化技術的能源成本。到目前為止，基于單位淡化水成本($ m^?3)的SWB-D系統的可行性還沒有得到充分的討論。

研究的問題

因此，本文旨在提供這些信息，并在詳細的成本分析的基礎上提供未來的研究方向。根據計算，目前的SWB-D系統在回收96%的能量并實現1000個循環的穩定運行時，預計設備成本為≈1.02 $ m^?3 (低于0.6~1.20 $ m^?3的RO)。陰離子交換膜(AEM)和分離器對材料成本的貢獻很大，分別占總成本的50%和41%。因此，未來致力于開發低成本的AEMS和分離器的研究將為SWB-D的大規模應用鋪平道路。

圖1.a)鋰離子電池(Lib)或鈉離子電池(SIB)、b)海水電池(SWB)和c)簡化海水電池淡化系統(SWB-D)充電后的比較。對于SWB-D系統，鈉離子在陽極上固化，氯離子遷移到陰極室以保持電荷中性，而海水淡化過程中使用的部分能量則儲存在SWB陽極中。與LiB或SIB不同，SWB和SWB-D有一個開陰極隔室。此外，SWB和SWB-D使用鈉超導隔膜(NASICON)，LiB或SIB使用隔膜。

圖2.SWB和其他電池系統的能量密度比較。

圖3.完整的SWB-D系統示意圖。充電后，海水淡化隔間中的水被淡化，而能量以金屬鈉的形式儲存在陽極(藍色回路)中。在放電過程中，陰極室中的水被鹽化，而陽極中儲存的能量被釋放(黃色回路)。

圖4.除鹽(R)與海水淡化的SWB(紅星)、反滲透(RO；橙色梯形)和電化學過程的比能耗的函數關系。三種具有代表性的電化學過程包括電滲析(ED；黃色三角形)、膜電容去離子(MCDI；M；黃色三角形加黑色右半部分)和流動電極電容去離子(FCDI；F；黃色三角形加黑色左半部分)。使用coin-type SWB(SWBCoin)進行計算。SWB-D是指基于SWB_Coin的海水淡化系統。完全海水淡化的理論最小能量是根據50%的水回收率(WR；黑色虛線)計算出來的。所有計算均采用海水濃度為6 0 0×10^?3M。ER：能量回收。

圖5.SWB_Coin、SWB_Rect的每能源材料成本( $ kWh^?1)和成本明細(%)。本文根據SWBCON的大小和能效計算SWBD。采用3145Wh kg^-1的理論能量容量計算SWB_Theor成本。計算的組件包括陰離子交換膜(AEM)、分離器(NASICON；鈉超導固體電解質)、陰極集流器(陰極C.)、陽極液和陽極。LIB的材料成本從≈88到≈200 $ kWh^?1不等。

結語

基于上述討論，可以得出以下重要結論：AEM(50%)和分離器(41%)的材料成本是目前SWB-D大規模應用的障礙。與反滲透等其他海水淡化技術相比，能量回收和循環效率對確定SWB-D的可行性起著至關重要的作用。當達到≈96%的能量回收和1000次循環的穩定性能時，預計設備成本為≈1.02 $ m^?3，與RO(0.6~1.20$ m^?3)相當。目前，SWB-D的流體室(或連續系統)的開發迫切需要進行全面的對比。連續流動可以促進離子在AEM中的擴散，在不增加能量輸入的情況下可以去除更多的離子。為了使SWB-D能與其他海水淡化工藝（特別是反滲透工藝）競爭，除改善能源方面外，還必須顯著改善海水淡化動力學。在今后的研究中，當考慮材料加工成本和套管成本時，可以對大規模SWB-D系統進行更符合實際的成本分析。

本文由SSC供稿。