一文淺談儲(chǔ)能系統(tǒng)化學(xué)

隨著世界對(duì)化石燃料和不可再生能源的依賴在當(dāng)今更加綠色的社會(huì)中不斷減少，我們看到了向各種形式的可再生能源的更高使用率的轉(zhuǎn)變。然而，可再生能源的限制因素之一是儲(chǔ)存這種能量的能力，這就是電動(dòng)汽車需要很長(zhǎng)時(shí)間才能進(jìn)入市場(chǎng)的原因。手機(jī)和筆記本電腦等便攜式技術(shù)也是如此，這些技術(shù)的主要賣點(diǎn)之一是電池壽命。歸根結(jié)底，電池壽命是指電池在需要使用之前有效儲(chǔ)存能量的能力。

儲(chǔ)能的基本原理，以及近年來出現(xiàn)的任何進(jìn)步，都是由于各種化學(xué)相互作用和原理。應(yīng)該注意的是，這些化學(xué)反應(yīng)與大多數(shù)與化學(xué)有關(guān)的反應(yīng)不同——即獲取一個(gè)分子并將其與另一個(gè)分子反應(yīng)以產(chǎn)生不同的分子。相反，這些原理是基于電化學(xué)的，它涉及離子電荷的變化以促進(jìn)電子運(yùn)動(dòng)，并包括諸如離子和電子遷移機(jī)制、固態(tài)晶格中空穴的利用以及電化學(xué)半反應(yīng)等機(jī)制其他。在這里，我們?cè)敿?xì)介紹了一些常見的儲(chǔ)能設(shè)備如何依靠化學(xué)來有效發(fā)揮作用。

電容器

電容器是最古老的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備之一，它通過在電場(chǎng)中儲(chǔ)存勢(shì)能來實(shí)現(xiàn)。電容器利用稱為電容的現(xiàn)象工作，電容是電荷相對(duì)于電勢(shì)變化的變化。有許多不同類型的電容器，所有這些電容器的機(jī)制都略有不同，但標(biāo)準(zhǔn)電容器具有兩個(gè)導(dǎo)電區(qū)域，由非導(dǎo)電介電板或真空隔開。

在電容器中，當(dāng)來自另一個(gè)組件、設(shè)備或其他電源的電荷導(dǎo)致電荷出現(xiàn)在其中一個(gè)導(dǎo)體中時(shí)，將對(duì)另一個(gè)導(dǎo)體內(nèi)的電荷載流子施加力。這導(dǎo)致電荷載流子吸引帶相反電荷的物質(zhì)，同時(shí)將相同電荷排斥到另一個(gè)導(dǎo)體，這導(dǎo)致兩個(gè)導(dǎo)體表面之間的電荷分離。因?yàn)閮蓚€(gè)導(dǎo)體具有等量的電荷，所以分隔兩個(gè)導(dǎo)體的電介質(zhì)區(qū)域產(chǎn)生電場(chǎng)。

能量可以存儲(chǔ)在電容器內(nèi)，因?yàn)閷?dǎo)體區(qū)域靠得很近。這個(gè)短距離導(dǎo)致電荷在存在電場(chǎng)的情況下相互吸引。然后，通過做大量功將極板移動(dòng)到一起，電容器能夠?yàn)槎x的電壓存儲(chǔ)大量電能。隨著板之間的距離減小，完成的工作量呈指數(shù)增加。

電池

當(dāng)今使用的電池有很多種——從鋁基電池到各種類型的鋰電池（鋰空氣、鋰金屬等）和氧化還原液流電池。鑒于這里的重點(diǎn)是儲(chǔ)能，因此重點(diǎn)是可充電鋰離子電池，因?yàn)樗鼈兊膽?yīng)用如此廣泛，而氧化還原液流電池則因?yàn)樗鼈冇糜诟笠?guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用。

鋰離子

鋰離子電池在充電時(shí)儲(chǔ)存能量，并在放電時(shí)緩慢釋放能量——即，當(dāng)裝有電池的設(shè)備打開時(shí)。為了儲(chǔ)存能量，這些電池會(huì)通過陰極的還原反應(yīng)進(jìn)行充電。這種還原反應(yīng)導(dǎo)致來自外部來源（例如電源）的電子與鋰離子結(jié)合。然后，這會(huì)導(dǎo)致離子在陽(yáng)極內(nèi)遷移和嵌入；于是，能量基本上以鋰離子內(nèi)束縛電子的形式儲(chǔ)存。當(dāng)用戶打開設(shè)備時(shí)，電池將通過氧化反應(yīng)進(jìn)行放電過程。放電過程將鋰離子移動(dòng)到陰極并釋放電子，從而產(chǎn)生可用電流。如果電池不執(zhí)行這些機(jī)制中的任何一個(gè)，

氧化還原流

氧化還原液流電池更多地設(shè)計(jì)用于大容量?jī)?chǔ)能。盡管氧化還原液流電池可以與各種過渡金屬離子一起使用，但它們最常與鐵、釩和鋅一起使用。氧化還原液流電池與鋰離子系統(tǒng)有很大不同。主要區(qū)別之一是電化學(xué)過程涉及兩種溶劑系統(tǒng)。這些溶劑系統(tǒng)中的每一個(gè)都有溶解在溶劑中的活性成分——通常是金屬鹽。這種溶解可以采取活性成分部分或完全溶解的形式。

電解質(zhì)溶液通常保存在單獨(dú)的外部罐中。溶液在通過電極時(shí)被泵送到系統(tǒng)周圍，但通過離子分離膜彼此分開。兩個(gè)電極之間的離子交換機(jī)制產(chǎn)生電勢(shì)并發(fā)電。之所以將它們用于更大規(guī)模的儲(chǔ)能應(yīng)用，是因?yàn)樵谶@些儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存能量的能力比傳統(tǒng)電池大得多。

在這些系統(tǒng)中，電化學(xué)反應(yīng)和能量?jī)?chǔ)存發(fā)生在電解質(zhì)內(nèi)而不是電極內(nèi)，并且依賴于電化學(xué)半反應(yīng)。放電時(shí)，陽(yáng)極側(cè)發(fā)生氧化反應(yīng)。該反應(yīng)釋放一個(gè)電子，然后該電子行進(jìn)到電池的陰極側(cè)，在那里通過還原反應(yīng)被接受。充電機(jī)制原理相同，只是電流方向和電化學(xué)反應(yīng)方向相反。整個(gè)系統(tǒng)通過交換帶正電荷的氫離子來保持電荷中性。

儲(chǔ)氫

與此處詳述的其他方法相比，最近才實(shí)現(xiàn)了氫儲(chǔ)存，但它是電動(dòng)汽車 (EV) 發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。氫儲(chǔ)存用途廣泛，在這種情況下作為能源的氫離子可以多種氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)形式儲(chǔ)存。氫的物理儲(chǔ)存很容易理解，其形式為壓縮氫氣、儲(chǔ)存在罐中的液態(tài)氫以及冷卻至低溫條件然后壓縮的氫。

然而，有許多不同類型的固體形式的氫儲(chǔ)存，它們利用有機(jī)和材料化學(xué)的原理來安全地儲(chǔ)存氫。在這些存儲(chǔ)機(jī)制中的每一個(gè)中，氫將被存儲(chǔ)，直到刺激（例如熱量）導(dǎo)致存儲(chǔ)介質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化并釋放氫。

在固體材料中儲(chǔ)存氫有兩種常見的方法：

第一種方法是通過固體表面的化學(xué)吸附——例如金屬有機(jī)骨架 (MOF)。

第二種方法是通過間隙遷移到固體晶格中。該方法也從吸附在固體表面的氫分子開始。然后氫分子分解成氫原子并存儲(chǔ)在固態(tài)晶格的孔中。

儲(chǔ)存氫氣的最終方法——同樣在很大程度上依賴于化學(xué)反應(yīng)——是通過化學(xué)反應(yīng)。

第一種方法是通過與金屬反應(yīng)形成金屬氫化物。在這種類型的化學(xué)反應(yīng)中，氫成為金屬離子之間的間隙離子。

第二種方法是通過與對(duì)氫吸收具有高親和力的化合物（例如咔唑衍生物和甲苯）進(jìn)行液體有機(jī)反應(yīng)。

第三種方法是通過含氫材料與水或其他富氧溶劑反應(yīng)。在這種類型的化學(xué)反應(yīng)中，氫儲(chǔ)存在材料和溶劑中。

結(jié)論

總的來說，有許多方法可以儲(chǔ)存能量，但在許多情況下，所使用的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的類型取決于預(yù)期的應(yīng)用。然而，無論應(yīng)用如何，每個(gè)儲(chǔ)能設(shè)備都依賴于高效的電化學(xué)機(jī)制，不僅可以遷移任何相關(guān)的離子和電子，還可以在需要時(shí)儲(chǔ)存能量。因此，化學(xué)是任何儲(chǔ)能應(yīng)用的核心。