香港城市大學吳偉教授、南京大學朱嘉教授《自然·通訊》：新型多級電能轉化水電池：同步解決儲能與缺水難題

全球范圍內，可再生能源的間歇性供應與日益嚴峻的淡水短缺問題，是制約可持續發展的兩大挑戰。許多可再生能源豐富的地區，如中國西北和中東，恰恰飽受缺水之苦。傳統的能源存儲系統面臨著地形限制、效率不足和成本效益等難題，而現有的大氣水收集技術則受限于產水量低、能耗高或依賴不穩定的太陽能等問題。

近日，香港城市大學吳偉教授、南京大學朱嘉教授合作提出并驗證了一種多級電能轉化水電池系統，能夠協同實現靈活的能源存儲與高效的大氣水收集。該系統將高溫氧化鎂基熱能存儲單元與模塊化多級大氣水收集裝置相結合，利用一種基于Reline的三元溶液提升吸附動力學性能和系統可擴展性。原型機每日產水量可達3060克，完全滿足一個成年人的日需求，其單位產水能耗低至1.13千瓦時/千克，優于現有主動式大氣水收集系統，甚至在特定條件下其平準化水成本可與海水淡化技術競爭。相關論文以“Multi-stage power-to-water battery synergizes flexible energy storage and efficient atmospheric water harvesting”為題，發表在Nature Communications上。

該研究的核心思路源自對水-能協同機遇的識別。如圖1所示，研究者提出了水-能協同指數，用以量化那些可再生能源過剩但水資源緊張的地區（如內陸區域）的潛力。MSP2W系統正是在此背景下應運而生：在電力低谷期（圖1b），系統將多余的可再生能源以高溫熱能形式存儲起來，同時多級水收集器從環境中分批吸附水分；在需要時（圖1c），存儲的熱能被釋放，用于驅動多級水收集器的脫附過程，通過級聯利用冷凝潛熱，大幅提升能量效率。

圖1 | 可再生能源豐富但水資源短缺地區的水-能協同機遇，以及采用MSP2W的相應解決方案。 a 全球視角下的水-能協同指數。數值越大，表示該地區新能源盈余越多且氣候越干燥；反之，數值越小，表示新能源盈余越低（或水資源越豐富）。詳細計算方法參見補充方法1。b 提出MSP2W系統，用于經濟高效地存儲剩余可再生能源，用于基于吸附的大氣水收集。在電力低谷期，可再生能源以高溫熱能形式存儲。同時，多級大氣水收集器從周圍環境中分批吸附水分。c 在用電高峰期，存儲的熱能用于多級水收集器的脫附過程。

實現高效產水的關鍵在于多級結構的設計優化。圖2的理論模型揭示了大氣水收集的生產極限。研究發現，并非級數越多越好，在中等濕度下，三級配置能達到產水最大化，超過此限反而因溫降不足和熱損失增加導致收益遞減。理論分析還指出，提升加熱功率和優化吸附床傳質對性能至關重要，這直接引導了后續的材料與器件設計。

圖2 | 多級大氣水收集的理論極限。 a 多級大氣水收集的概念圖。b 在最佳級數和25°C環境條件下，典型固體吸附劑的日大氣水收集極限。產水量以每平方米加熱面積、每毫米吸附劑厚度對應的千克數表示。c 在最佳級數和25°C環境條件下，典型液體吸附劑的日大氣水收集極限。d 不同級數下，各吸附劑層的壓力-溫度分布。e 單級、雙級和六級配置下，LiCl在脫附過程中吸水量的變化。箭頭表示LiCl吸水量的平衡狀態在脫附過程中的變化方向。f 基于AQSOA Z01的多級大氣水收集系統在不同級數和三種不同平衡濕度比（環境溫度25°C）下的產水量。

優異的性能離不開高性能吸附材料與創新結構。如圖3所示，研究團隊開發了抗結晶的Reline基三元溶液，其吸水量在潮濕環境下可達自身重量的420%以上，且循環穩定性良好。為了在實際尺度下發揮材料性能，他們設計了一種主動式“三明治”結構液體吸附床。該結構通過優化氣流、集成冷卻單元和采用特殊填充物，將12小時內的吸附動力學性能提升了143%，確保了快速、穩定的水分捕獲。

圖3 | RTS和SLAB的制備與表征。 a RTS由兩種強吸附劑（Reline和LiCl）組成，具有高吸附容量和低結晶溫度。b LiCl溶液和RTS的結晶曲線。c LiCl溶液、Reline和RTS的傅里葉變換紅外光譜曲線。d RTS、DES（深共晶溶劑）的蒸汽吸附等溫線，以及LiCl的理論等溫線。e RTS與最先進的吸附材料在吸水量上的比較。f SLAB結構示意圖。g 不同因素對SLAB吸附動力學增強的貢獻。h 不同相對濕度下SLAB的吸附動力學。

基于上述理論基礎與材料創新，研究者構建了模塊化的多級水收集器（圖4）。實驗表明，在80%相對濕度下，三級系統比單級系統的日產水量提高了51.2%，單位能耗降低了26%。即使在干旱環境下（40%相對濕度），多級配置也展現出顯著的能效優化能力。

圖4 | 水收集器的設計與優化。 a 模塊化水收集器示意圖。b 模塊化水收集器實物照片。c 不同配置和相對濕度條件下的日水產量比較。d 不同配置和相對濕度條件下的單位能耗比較。

圖5展示了集成熱能存儲單元的完整MSP2W電池原型及其性能。該系統采用氧化鎂磚作為儲熱介質，表現出良好的規模效應和成本優勢。最終的原型機在80%濕度下日產量達3060克，單位產水能耗創下同類技術新低。與現有被動式太陽能驅動或主動式大氣水收集技術相比，MSP2W在產水率、能耗及可擴展性上均具有明顯優勢。其能量存儲密度與成本效益亦可與多種傳統儲能技術媲美。

圖5 | MSP2W電池的性能。 a 多級水電池的照片和剖面示意圖。b 儲能過程中儲能單元的溫度變化。插圖顯示了不同測量點的俯視圖。c 氧化鎂基TES的成本隨存儲容量及高寬比例的變化。插圖為高寬比例示意圖。d 三級P2W電池的溫度變化和水產量。上圖顯示吸附劑和冷凝器的溫度；下圖顯示收集到的水量和累積水量。e 與最先進的、旨在提升動力學的被動式大氣水收集技術在單位加熱面積產水量、單位吸附劑產水量及日產量方面的比較。f 與最先進的主動式大氣水收集技術在單位能耗、每千克吸附劑產水量及日產量方面的比較。g 不同儲能技術的能量存儲密度與單位能量成本對比。

該技術的全球應用潛力與經濟性得到了進一步評估。圖6中的水短缺緩解潛力地圖顯示，WSMP值高的地區（如中國西北、北非、美國西部和中東）可利用本地不足1%的可再生能源盈余，通過MSP2W技術理論上完全解決缺水問題。平準化水成本分析表明，在可再生能源電價低廉甚至為負價的地區（如美國加州），MSP2W的產水成本可低于每噸20美元，具備了與反滲透等海水淡化技術競爭的經濟可行性。

圖6 | MSP2W電池的全球水短缺緩解潛力評估和平準化水成本。 a MSP2W電池的水短缺緩解潛力評估圖。該圖突出了WESI > 0.25的地區，這些地區可通過利用可再生能源顯著緩解水短缺。WSMP > 1的地區理論上具有通過提供人均每年185噸水來完全解決水短缺的潛力。b 與現有主動式大氣水收集技術及海水淡化技術相比，MSP2W電池在不同充電功率下的平準化水成本。c 與現有主動式大氣水收集技術及海水淡化技術相比，MSP2W電池在不同熱能存儲容量下的平準化水成本。

總而言之，這項研究展示了一種將可再生能源存儲與淡水生產深度融合的創新解決方案。MSP2W電池不僅為緩解能源間歇性和水資源短缺提供了協同路徑，其經濟競爭力更預示著其在可再生能源富集而淡水匱乏地區的廣闊應用前景。盡管在極低濕度環境下的性能提升、吸附劑的長期耐用性等方面仍有改進空間，但該項技術無疑為應對兩大全球性挑戰開辟了一條富有吸引力的新途徑。