UIUC与丰田联合申请专利：将电化学电池技术用于直接空气碳捕获

💡 美国伊利诺伊大学（UIUC）和丰田北美研究院联合提交了两项美国专利申请（申请号18/713,023和19/368,311），涉及一种利用电力和盐水化学直接从大气中捕获CO2的电化学装置，无需任何高温处理。该装置的工作原理类似可充电电池：通过调节钾溶液的pH值从空气中吸收CO2，再逆向操作将浓缩CO2释放出来，供封存或再利用。相关研究于2026年7月12日发表在《Environmental Science and Technology》期刊，专门针对已扩散至大气中浓度仅约0.04%的"遗留"CO2，这是气候技术中最难攻克的问题。

Climeworks运营成本（约1,000美元/吨）$1,000

Climeworks市场价格（700美元/吨）$700

行业2030年目标（300-350美元/吨）$300-350

美国DOE长期目标（100美元/吨）$100

专利申请的核心主张：一块会"吸入"CO2的电池

目前大多数碳捕获方法依赖浓度差原理。燃煤电厂的排放尾气中CO2浓度为10%到15%，较易过滤。而大气中的CO2浓度仅为0.04%。要从如此稀薄的混合气体中分离CO2，要么需要庞大的气流，要么需要极强的反应性化学物质。现有商业化直接空气碳捕获（DAC）系统使用氢氧化钾（KOH）与CO2反应生成碳酸钾，问题在于：将碳酸钾还原为KOH以循环利用需要在约900摄氏度的窑炉中煅烧，每捕获一吨CO2需消耗2,000至3,000千瓦时电力。

专利申请18/713,023和19/368,311描述了一种电化学电池，利用钾稳定化α相二氧化锰（K-MnO2）电极通过质子嵌入和脱出循环改变电解液pH值，其原理与锂离子电池的充放电机制相同。当电池正向运行时，电解液变碱性（高pH），使其能有效吸收空气中的CO2；当反向运行时，pH降低，已吸收的CO2以浓缩气体形式被释放，可用于地质封存或工业利用。

这种设计被称为"阳离子补偿电池"：质子在电极材料中迁移，钾离子在溶液中移动以维持电荷平衡。整个过程构成一个针对溶解无机碳的热力学循环，而非温度与压力的转化。这一框架的重要性在于，它为工程师提供了明确的优化目标：最小化每个环节的熵损失，正如热机设计师所做的那样。这也是与可充电电池类比最为贴切之处。

为何直接空气碳捕获既不可或缺，又成本高昂

全球CO2年排放量约为370亿吨。即便人类今天就停止所有新增排放，自工业化以来积累在大气中的约1.5万亿吨CO2仍将在未来数个世纪内持续推动气候变化。直接空气碳捕获正是为解决这一"历史遗留"问题而生，但以现有成本计算，每吨400至1,000美元以上，仅处理10亿吨每年就需花费4,000亿至万亿美元，这一负担根本无法持续。

进展是实实在在的，但差距依然巨大。美国能源部已承诺投入35亿美元建设大规模DAC中心。Occidental/Carbon Engineering在德克萨斯州的Stratos工厂，设计年捕获能力为50万吨，建造成本高达13亿美元。全球DAC市场规模在2025年约为1.47亿美元，预计到2035年将增至176亿美元，复合年增长率达61%。然而，当前实际成本与能源部每吨100美元目标之间的差距仍然巨大。能源电力是主要成本来源：若热再生步骤可由廉价可再生能源驱动的电化学过程替代，整个成本曲线将发生根本性转变。

质子嵌入机制：装置如何实际工作

UIUC-丰田装置的核心化学原理是质子嵌入循环。α相MnO2具有隧道结构，能够可逆地接收和释放质子（H+）而不发生结构损坏，这与MnO2在普通碱性电池中的主体-客体化学性质相同。通过钾离子稳定化该结构，研究人员创造出能够稳定来回调节盐水电解液pH值的电极材料。

在"捕获"半周期中，电极从电解液中提取质子，使溶液变碱性（高pH）。在高pH条件下，空气中的CO2易于溶入液体，形成碳酸氢根和碳酸根离子。在"释放"半周期中，电极释放存储的质子，使电解液酸化并逆转平衡，溶解的无机碳重新转化为CO2气体，便于收集。

当前主要的工程挑战是流间混合问题：在系统切换两股液流时会发生部分混合，既稀释了碱性捕获液，又污染了酸性释放流。研究团队指出，这是"目前面临的最大挑战之一"。解决这一问题将显著提升装置的能效和产量，也是持续专利研究工作的核心焦点。将该过程视为热力学循环的关键洞见，为系统优化打开了大门。

这项技术依赖什么，又能解锁什么

电化学DAC方法处于两条重大技术曲线的交汇点。其一是太阳能和风能的电力成本，自2010年以来已下降约90%，且持续降低。由廉价可再生能源驱动的电化学过程，可以仅通过等待就改善其经济性：随着太阳能成本下降，运营成本随之降低。其二是电池电极材料的成熟度。MnO2在电池领域已有超过一个世纪的应用历史，其电化学性质研究深入，供应链完善，降解机制已被系统阐明。UIUC-丰田专利无需发明新材料，而是将工业规模的现有材料重新利用。

若该发明得以规模化，可能催生分布式直接空气碳捕获：运行于本地可再生能源的模块化装置，无需天然气加热，可在任何风能或太阳能资源丰富的地点部署。与Stratos工厂巨型接触塔所需的集中式基础设施不同，电化学DAC装置最终可能具有集装箱的大小，从根本上改变谁能运营DAC以及在何处运营的地理格局。产出的CO2可用于合成燃料、混凝土碳化或地质封存，所有这些用途都受益于电化学方法天然产出的高纯度CO2流。

丰田的战略布局：为何这家电动车巨头押注碳捕获

丰田的参与并非偶然。丰田北美研究院（TRINA）已建立了一套聚焦电池邻近材料科学的研究体系，与UIUC的合作自然地嵌入其中。对丰田而言，碳捕获技术是一种战略对冲：可以将技术商业化、部署于抵消自身残余排放，或授权给政府和公用事业公司。

日本已承诺2050年实现碳中和。专利19/368,311由UIUC和丰田共同持有，意味着任何商业化部署都需要双方共同同意，为丰田在该技术走向商业化时确保了核心席位。此外，丰田数十年在电池电极材料、电解质及电池衰减方面的研究，可直接转化为构建能够承受工业规模数百万次循环的电化学DAC系统所需的能力。电动汽车革命，正在无意中为可能支撑电化学碳捕获的材料科学基础设施提供资金支持。这就是这项专利所揭示的系统性连接。

谁还在这场竞赛中，这种方法有何独特之处

电化学DAC领域竞争激烈，但仍处于早期阶段。浙江大学持有US12383858B2（2025年8月授权），采用离子选择性膜分离碳酸盐与氢氧化物，是通向同一目标的另一条电化学路径。Carbon Engineering（现为Occidental/1PointFive）持有US12611629B2（2026年4月授权），保护通过双极膜电渗析（BPMED）电化学再生KOH捕获液的工艺。这两项已获授权，UIUC-丰田申请仍待审查。

UIUC-丰田方法的独特之处在于使用固态电极质子嵌入，而非膜基离子传输，具有潜在的耐久性优势（无膜堵塞问题）和更简洁的系统结构，但同时面临电极长期降解的挑战。截至2024年，全球已有130余个DAC设施处于不同开发阶段（国际能源署），该领域发表论文数量也在快速攀升。成本竞争力强的电化学DAC之争，将在实验室和专利办公室之间共同决出胜负，两个战场都值得持续关注。

信息	详情
专利申请号	US 18/713,023（UIUC）；US 19/368,311（UIUC + 丰田）
发明名称	基于电化学的二氧化碳捕获与封存/资源化方法及系统
申请人	伊利诺伊大学；丰田北美研究院
发明人	Kyle Smith、Paul Rozzi、JeongA Lee（UIUC）；Chip Roberts、Tim Arthur（丰田RINA）
申请年份	2024年（美国USPTO）
论文发表	Environmental Science and Technology（ACS），2026年7月12日
管辖区域	美国（USPTO）
核心主张	利用K稳定化MnO2电极质子嵌入实现电化学CO2捕获

对我们意味着什么

UIUC-丰田专利申请标志着直接空气碳捕获技术架构的真正进步，而非对现有KOH-煅烧路线的渐进式改良。若电极耐久性和流间混合挑战能在实际规模下得到解决，这一方法有望显著降低DAC的能量强度，并允许直接与可变可再生能源耦合，为实现DOE每吨100美元的长期目标迈出重要一步。

但目前尚无法保证在气候所需的十亿吨级规模上实现商业化部署。从实验室电池到年产能50万吨工厂的道路，以数十年和数十亿美元来衡量。然而，申请号18/713,023和19/368,311的提交表明，丰田这一世界上最具执行力的大规模制造商之一，已看到了足够的前景来保护自己在这一成果中的利益。当丰田支持碳捕获领域的基础流程专利时，这意味着该领域正从学术探索走向工业上可信的替代方案。这是一个谨慎但有意义的信号，值得整个清洁能源领域关注。

常见问题

来源

伊利诺伊大学新闻局 - 电化学装置新研究（2026年7月）
Scientific Frontline - 电化学直接空气碳捕获（2026年7月）
Green Fuel Journal - DAC市场规模2026
2026年直接空气碳捕获技术与市场现状
Google Patents - Carbon Engineering US12611629B2（2026年4月授权）
Google Patents - 浙江大学US12383858B2（2025年8月授权）

关于作者

Dao Huy（Lucas）是一位拥有七年以上经验的专业译者，专注于英语、中文、法语到越南语的翻译工作。其核心专业领域涵盖专利翻译、技术翻译和知识产权翻译，包括材料科学、化学及能源行业专利申请，正如本文所讨论的内容。当美国专利申请需要在日本、越南或欧洲专利局提交时，每项权利要求、说明书和摘要都必须以科学和法律双重精准度进行翻译，一项翻译失误可能导致权利要求失效。

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