二氧化碳在发电过程中常常被视为一种副产品，其排放量甚至被用作衡量发电效率的指标。
以美国为例，2022年该国每产生一度电大约会产生0.86磅（1磅约等于453.6克）的二氧化碳排放量[1]。
图源：参考1（AI翻译）
在所有发电方式中，煤电的二氧化碳排放量位居第二，达到每度电2.3磅，仅次于石油的2.38磅每度。尽管石油直接用于发电的情况较少，但煤炭主要被用于发电，许多国家的电网中仍含有较高比例的煤电装机容量。
目前，中国煤电的装机容量占总容量的比例不到40%（实际发电比例可能更高），这一比例近年来虽有下降，但与美国相比仍相对较高。
因此，我国每发一度电的二氧化碳排放量实际上高于美国，主要原因是煤电比例较高。
然而，许多人可能不知道，二氧化碳可以被收集并用于发电。它是一种优良的充电电池材料，能够储存电能并在需要时释放。
图：手机锂电池
二氧化碳电池的工作原理
在众多充电电池中，锂电池和纳电池更为常见，但二氧化碳电池作为一种创新技术，已经得到实际应用。
锂电池和纳电池通过材料的氧化还原反应实现电能的存储和释放，而二氧化碳电池则采用完全不同的方式——它利用的是二氧化碳的超临界流体的独特物理性质。
当二氧化碳的温度和压力超过31.1°C和7.39兆帕时，它会进入超临界状态，此时可以像气体一样膨胀，同时保持液体的密度。
实际上，在这种状态下，二氧化碳可以像其他液体一样溶解物质，例如咖啡中的咖啡因常通过超临界二氧化碳提取。
图：二氧化碳电池的工作原理，右边是二氧化碳气体，左边三个管是储存二氧化碳液体
要利用二氧化碳发电或释放电能，则是利用其在膨胀时保持的高密度，通过泵送过涡轮驱动涡轮旋转，从而发电[2]。
放电过程完成后，如何充电呢？
充电过程也很简单，只需将二氧化碳加热至超临界状态即可。这一温度接近常温，因此充电时基本只需将电能转化为压力。
二氧化碳电池的优缺点
利用超临界二氧化碳发电并非新鲜事物，它已被发展为各种发电方式中蒸汽的可靠替代品，主要应用于核能和聚光太阳能。
然而，二氧化碳电池的普及度较低，主要原因是它存在一些缺点，限制了其广泛应用。
首先，二氧化碳电池无法像锂电池、纳电池那样实现模块化，无法制成各种形状和大小。
由于膨胀后变成气体，需要较大的空间储存二氧化碳，因此无法像锂电池、纳电池那样在日常生活中得到广泛应用。
此外，二氧化碳电池的往返效率并不高，约为75%，即1度电充电后只能释放出0.75度电。
相比之下，锂电池的往返效率可达85%（目前化学电池的往返效率最高）[3]。
尽管如此，二氧化碳电池也有其优点。
二氧化碳电池使用环保且取之不尽的工业废料——二氧化碳，这与锂电池相比具有明显优势，因为锂资源相对有限，而钠资源相对丰富。
其次，二氧化碳电池的往返效率不会随时间降低，即使使用30年以上，仍能保持约75%的效率，而锂电池等化学电池的效率会随时间显著下降，两三年后可能就大不如前。
另外，二氧化碳电池的放电深度在各种条件下几乎都是100%，而化学电池的放电深度会受到多种因素的影响。
最重要的是，二氧化碳电池的造价成本低于化学电池，以存储相同电量为例，每度锂电池的造价是二氧化碳电池的1.7倍左右。
实际上，从二氧化碳电池的优缺点来看，它并不适合作为普通家用电池，但非常适合作为电网中的储能电站。
图：丰宁抽水蓄能电站
储存电力的重要性
在河北省承德市的丰宁山上，有一座特殊的水电站，它建在山顶，平时用电抽水至山顶水库，再放水至下一个水库发电。
这座水电站就是丰宁抽水蓄能电站，它是本世纪人类建造的最大抽水蓄能电站，总投资达192.37亿元，上水库总库容为4504万立方米。
由于抽水和发电过程中存在能量损耗，许多人质疑这种做法的合理性。
实际上，原因很简单，国家电网的电是发多少必须用多少，否则发电站可能过热甚至烧毁。
因此，需要储能电站来储存多余的电能，并在发电量不足时释放电能。丰宁抽水蓄能电站就是这样的储能电站，其本质也是一个“充电电池”，充电过程相当于将电能转化为重力势能。
随着碳中和政策的推进，各国的清洁能源——如风电站、太阳能电站的装机容量不断增加，但这些发电站的发电量受自然条件影响，无法人为控制。
二氧化碳储能电站的模拟图，图源：参考3
因此，随着清洁能源的普及，储能电站的需求将不断增长。二氧化碳电池可以像抽水蓄能电站一样，在发电量多时充电，发电量不足时释放电能。
不过，二氧化碳电池的往返效率低于抽水蓄能电站，好在它利用的是二氧化碳，这算是对碳排放的合理利用。
最后，还有一点值得一提，尽管二氧化碳非常稳定且无毒，但今年意大利即将上线的一个二氧化碳电池储能电站，需要储存1000吨二氧化碳——一个巨大的穹顶结构用于储存，这可能会带来一定的风险。
如果这些二氧化碳泄漏，可能会导致周围相当宽范围内的生物集体死亡。
参考：
[1].https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=74&t=11
[2].https://spectrum.ieee.org/this-power-plant-runs-on-co2
[3].https://energydome.com/co2-battery/