【儀表網 研發快訊】儲能是利用間歇性和波動性能源的重要支撐技術。鈣基熱化學儲能具有儲能密度高、熱損失小、材料廉價等優勢，在工業余熱回收、太陽能熱儲存、建筑供暖、谷電調峰等領域具有廣闊的應用前景。制約鈣基熱化學儲能體系大規模應用的重要因素是材料高溫反應易團聚和燒結，造成循環穩定性不足。目前，高性能材料挖掘普遍為經驗性試錯式開發，缺乏內在規律的解讀。
中國科學院工程熱物理研究所傳熱傳質研究中心在高性能鈣基熱化學儲能材料開發方面開展了深入研究。科研人員采用計算和實驗結合方式，通過高通量密度泛函理論計算篩選，發現摻雜稀土金屬元素的鈣基熱化學儲能材料表現出極低的過渡態反應能壘。同時，實驗結果驗證了摻雜稀土金屬元素可以將氫氧化鈣的起始反應溫度降低50 ℃，提高了材料反應動力學性能。較低的脫水反應溫度不僅可以擴大材料的適用范圍，而且可以顯著緩解材料的團聚和燒結問題，進而提高材料的循環穩定性。
此外，該研究基于柯肯達爾效應，采用室溫攪拌、無模板低碳環保方法制備得到中空結構微納米氧化鈣材料。該材料具有快速二氧化碳吸附速率和較高的循環穩定性，且該材料中的反應幾乎不受擴散阻力限制。該工作利用生物模板制備得到了具有多級孔結構的鈣基熱化學儲能材料。該材料具有較好的二氧化碳吸附特性和循環穩定性，20次循環儲能密度在2000 kJ/kg以上。
相關研究成果分別發表在《化學工程雜志》(Chemical Engineering Journal)上。研究工作得到國家自然科學基金和江蘇省碳達峰與碳中和科技創新專項資金重大科技示范項目的支持。
圖1.(a)過渡態計算過程示意圖，(b)研究元素在元素周期表中的位置，(c)不同元素修飾下氫氧化鈣脫水反應的過渡態能壘
圖2.(a)不同元素修飾對儲能密度的影響，(b)本研究工作與文獻中對比
圖3.(a)樣品的制備過程，(b)合成樣品的SEM和(c)TEM圖像，(d)Ca80Mg20復合吸附劑的FESEM和各元素分布的Mapping圖像
圖4. 中空樣品Ca90Si10的形態特征：(a-b)SEM圖，(c)TEM圖，(d)HAADF-STEM圖與(e)EDX圖和Ca、Si和O元素線掃描分析
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