电化学碳捕获电池能耗减半：成本有望降至$100/吨以下

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据Ars Technica 2026年9月28日报道，美国特拉华大学詹姆斯·布钦（James Buchen）研究团队成功开发出一种基于镍氢电池的电化学碳捕获电池，通过泵送空气穿过电极实现二氧化碳的脱除与浓缩，能耗仅为传统直接空气碳捕获（DAC）系统的一半至三分之一。该技术以常见电池材料为基础，有望将碳捕获成本降至每吨100美元以下，为应对气候变化提供低成本脱碳路径。相关成果同日发表于《自然·能源》（Nature Energy）期刊。

氢氧化镍电极的“化学跷跷板”

该装置的核心是氢氧化镍电极——与老式可充电镍氢电池（AA/AAA）中的正极材料相同。布钦在论文中描述道：“我们利用电池阴极产生的氢氧根离子与二氧化碳反应，将其转化为碳酸根或碳酸氢根，这些离子穿过分离膜到达阳极。在阳极较低的pH环境下，反应逆转，碳酸根重新释放出二氧化碳气体。”整个过程如同化学跷跷板：施加一个方向的电压，阴极生成氢氧根并推动反应；切换电压方向，原阳极变为新阴极，驱动相同化学过程反向进行，从而持续捕获并运输二氧化碳。这种设计避免了传统吸附剂需要加热再生的高能耗步骤。

能耗0.8 MWh/吨，领先现有技术

研究团队构建了由9个单电池堆叠而成的实验室规模装置，每个电池的有效面积约为半张A4纸大小。他们利用从燃料电池借用的导流板组件，使风机驱动空气流过电池间的蛇形气路。测试显示，该装置捕获每吨二氧化碳仅需约0.8兆瓦时（MWh）电力。对比之下，当前主流直接空气碳捕获设施的能耗通常在1.5至3 MWh/吨之间。论文第一作者布钦表示：“我们的系统在一个关键指标——能源效率上实现了显著改进，这直接关系到运行成本。”旁证来自《自然·能源》论文的同行评审数据，证实了0.8 MWh/吨的低能耗记录。

规模化后成本或降至$92/吨

研究团队同时对经济性进行了前瞻分析。基于小试装置约每吨566美元的捕获成本，他们借鉴锂离子电池产业的“学习曲线”效应及大型工厂的常见成本缩放规律，预测了未来几代中试装置的造价。“如果工厂产能扩大1000倍，我们有信心将成本压缩至每吨92美元。”布钦在论文讨论环节写道。这远超Climeworks等公司提出的2030年每吨250—350美元目标。长期以来，碳捕获行业一直将每吨100美元视为拐点——一旦价格跌破这一阈值，将极大推动企业安装碳捕获设备的意愿。

RepAir Carbon加速产业化

该技术的核心研发团队部分成员已共同创立初创公司RepAir Carbon，致力于将电化学电池方案推向市场。在论文中，他们详细勾勒了从实验室到千倍扩产的路线图。布钦强调：“我们的优势在于使用成熟且廉价的镍氢电池材料，设备结构简单，仅需低压电力驱动。”不过，他同时承认，从9个电池堆叠到工业级千兆瓦时规模，工程放大仍面临流体分布、膜耐久性等挑战。此外，Climeworks已证明即使技术可行，实际扩产进度可能慢于预期。

技术挑战与前景：从实验室到千倍扩产

尽管前景诱人，但电化学碳捕获电池仍需解决一系列工程问题。当前装置仅在实验室条件下测试了干燥空气，而实际大气中水分、颗粒物等杂质可能影响电极寿命和反应效率。论文指出，下一步将针对真实空气环境进行长周期测试。同时，装置需要每平方厘米的电流密度维持稳定，目前镍氢电极在反复切换电压下的衰减数据尚未公开。研究团队表示，他们计划在12—18个月内建成首个连续运行的中试装置，处理能力为每小时1吨二氧化碳。

Q1: 这种电池碳捕获技术如何工作？

A1: 装置使用氢氧化镍电极，通过外加电压切换方向，在阴极产生氢氧根离子与吸入的空气中的二氧化碳反应，生成碳酸根/碳酸氢根离子；这些离子穿过分离膜到达阳极，在低pH环境下重新释放出纯净的二氧化碳气体。整个过程无需任何化学品再生加热，仅消耗电力。

Q2: 它比传统方法便宜多少？

A2: 实验室阶段捕获每吨二氧化碳的能耗为0.8 MWh，约为现有DAC系统的一半。当前小试成本约566美元/吨，但研究团队预计通过规模化和学习效应，在千倍扩产时可降至92美元/吨，远低于Climeworks等公司2030年目标250—350美元/吨，也接近行业梦寐以求的100美元/吨关口。

这项电化学碳捕获电池技术以更低的能耗和成本潜力，为直接空气碳捕获领域注入了全新活力。若工程放大顺利，它可能成为继风能、太阳能之后又一种关键脱碳工具，助力全球在2050年前实现净零排放目标。

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