香港城市大学吴伟教授、南京大学朱嘉教授《自然·通讯》：新型多级电能转化水电池：同步解决储能与缺水难题

全球范围内，可再生能源的间歇性供应与日益严峻的淡水短缺问题，是制约可持续发展的两大挑战。许多可再生能源丰富的地区，如中国西北和中东，恰恰饱受缺水之苦。传统的能源存储系统面临着地形限制、效率不足和成本效益等难题，而现有的大气水收集技术则受限于产水量低、能耗高或依赖不稳定的太阳能等问题。

近日，香港城市大学吴伟教授、南京大学朱嘉教授合作提出并验证了一种多级电能转化水电池系统，能够协同实现灵活的能源存储与高效的大气水收集。该系统将高温氧化镁基热能存储单元与模块化多级大气水收集装置相结合，利用一种基于Reline的三元溶液提升吸附动力学性能和系统可扩展性。原型机每日产水量可达3060克，完全满足一个成年人的日需求，其单位产水能耗低至1.13千瓦时/千克，优于现有主动式大气水收集系统，甚至在特定条件下其平准化水成本可与海水淡化技术竞争。相关论文以“Multi-stage power-to-water battery synergizes flexible energy storage and efficient atmospheric water harvesting”为题，发表在Nature Communications上。

该研究的核心思路源自对水-能协同机遇的识别。如图1所示，研究者提出了水-能协同指数，用以量化那些可再生能源过剩但水资源紧张的地区（如内陆区域）的潜力。MSP2W系统正是在此背景下应运而生：在电力低谷期（图1b），系统将多余的可再生能源以高温热能形式存储起来，同时多级水收集器从环境中分批吸附水分；在需要时（图1c），存储的热能被释放，用于驱动多级水收集器的脱附过程，通过级联利用冷凝潜热，大幅提升能量效率。

图1 | 可再生能源丰富但水资源短缺地区的水-能协同机遇，以及采用MSP2W的相应解决方案。 a 全球视角下的水-能协同指数。数值越大，表示该地区新能源盈余越多且气候越干燥；反之，数值越小，表示新能源盈余越低（或水资源越丰富）。详细计算方法参见补充方法1。b 提出MSP2W系统，用于经济高效地存储剩余可再生能源，用于基于吸附的大气水收集。在电力低谷期，可再生能源以高温热能形式存储。同时，多级大气水收集器从周围环境中分批吸附水分。c 在用电高峰期，存储的热能用于多级水收集器的脱附过程。

实现高效产水的关键在于多级结构的设计优化。图2的理论模型揭示了大气水收集的生产极限。研究发现，并非级数越多越好，在中等湿度下，三级配置能达到产水最大化，超过此限反而因温降不足和热损失增加导致收益递减。理论分析还指出，提升加热功率和优化吸附床传质对性能至关重要，这直接引导了后续的材料与器件设计。

图2 | 多级大气水收集的理论极限。 a 多级大气水收集的概念图。b 在最佳级数和25°C环境条件下，典型固体吸附剂的日大气水收集极限。产水量以每平方米加热面积、每毫米吸附剂厚度对应的千克数表示。c 在最佳级数和25°C环境条件下，典型液体吸附剂的日大气水收集极限。d 不同级数下，各吸附剂层的压力-温度分布。e 单级、双级和六级配置下，LiCl在脱附过程中吸水量的变化。箭头表示LiCl吸水量的平衡状态在脱附过程中的变化方向。f 基于AQSOA Z01的多级大气水收集系统在不同级数和三种不同平衡湿度比（环境温度25°C）下的产水量。

优异的性能离不开高性能吸附材料与创新结构。如图3所示，研究团队开发了抗结晶的Reline基三元溶液，其吸水量在潮湿环境下可达自身重量的420%以上，且循环稳定性良好。为了在实际尺度下发挥材料性能，他们设计了一种主动式“三明治”结构液体吸附床。该结构通过优化气流、集成冷却单元和采用特殊填充物，将12小时内的吸附动力学性能提升了143%，确保了快速、稳定的水分捕获。

图3 | RTS和SLAB的制备与表征。 a RTS由两种强吸附剂（Reline和LiCl）组成，具有高吸附容量和低结晶温度。b LiCl溶液和RTS的结晶曲线。c LiCl溶液、Reline和RTS的傅里叶变换红外光谱曲线。d RTS、DES（深共晶溶剂）的蒸汽吸附等温线，以及LiCl的理论等温线。e RTS与最先进的吸附材料在吸水量上的比较。f SLAB结构示意图。g 不同因素对SLAB吸附动力学增强的贡献。h 不同相对湿度下SLAB的吸附动力学。

基于上述理论基础与材料创新，研究者构建了模块化的多级水收集器（图4）。实验表明，在80%相对湿度下，三级系统比单级系统的日产水量提高了51.2%，单位能耗降低了26%。即使在干旱环境下（40%相对湿度），多级配置也展现出显著的能效优化能力。

图4 | 水收集器的设计与优化。 a 模块化水收集器示意图。b 模块化水收集器实物照片。c 不同配置和相对湿度条件下的日水产量比较。d 不同配置和相对湿度条件下的单位能耗比较。

图5展示了集成热能存储单元的完整MSP2W电池原型及其性能。该系统采用氧化镁砖作为储热介质，表现出良好的规模效应和成本优势。最终的原型机在80%湿度下日产量达3060克，单位产水能耗创下同类技术新低。与现有被动式太阳能驱动或主动式大气水收集技术相比，MSP2W在产水率、能耗及可扩展性上均具有明显优势。其能量存储密度与成本效益亦可与多种传统储能技术媲美。

图5 | MSP2W电池的性能。 a 多级水电池的照片和剖面示意图。b 储能过程中储能单元的温度变化。插图显示了不同测量点的俯视图。c 氧化镁基TES的成本随存储容量及高宽比例的变化。插图为高宽比例示意图。d 三级P2W电池的温度变化和水产量。上图显示吸附剂和冷凝器的温度；下图显示收集到的水量和累积水量。e 与最先进的、旨在提升动力学的被动式大气水收集技术在单位加热面积产水量、单位吸附剂产水量及日产量方面的比较。f 与最先进的主动式大气水收集技术在单位能耗、每千克吸附剂产水量及日产量方面的比较。g 不同储能技术的能量存储密度与单位能量成本对比。

该技术的全球应用潜力与经济性得到了进一步评估。图6中的水短缺缓解潜力地图显示，WSMP值高的地区（如中国西北、北非、美国西部和中东）可利用本地不足1%的可再生能源盈余，通过MSP2W技术理论上完全解决缺水问题。平准化水成本分析表明，在可再生能源电价低廉甚至为负价的地区（如美国加州），MSP2W的产水成本可低于每吨20美元，具备了与反渗透等海水淡化技术竞争的经济可行性。

图6 | MSP2W电池的全球水短缺缓解潜力评估和平准化水成本。 a MSP2W电池的水短缺缓解潜力评估图。该图突出了WESI > 0.25的地区，这些地区可通过利用可再生能源显著缓解水短缺。WSMP > 1的地区理论上具有通过提供人均每年185吨水来完全解决水短缺的潜力。b 与现有主动式大气水收集技术及海水淡化技术相比，MSP2W电池在不同充电功率下的平准化水成本。c 与现有主动式大气水收集技术及海水淡化技术相比，MSP2W电池在不同热能存储容量下的平准化水成本。

总而言之，这项研究展示了一种将可再生能源存储与淡水生产深度融合的创新解决方案。MSP2W电池不仅为缓解能源间歇性和水资源短缺提供了协同路径，其经济竞争力更预示着其在可再生能源富集而淡水匮乏地区的广阔应用前景。尽管在极低湿度环境下的性能提升、吸附剂的长期耐用性等方面仍有改进空间，但该项技术无疑为应对两大全球性挑战开辟了一条富有吸引力的新途径。