一文浅谈储能系统化学

随着世界对化石燃料和不可再生能源的依赖在当今更加绿色的社会中不断减少，我们看到了向各种形式的可再生能源的更高使用率的转变。然而，可再生能源的限制因素之一是储存这种能量的能力，这就是电动汽车需要很长时间才能进入市场的原因。手机和笔记本电脑等便携式技术也是如此，这些技术的主要卖点之一是电池寿命。归根结底，电池寿命是指电池在需要使用之前有效储存能量的能力。

储能的基本原理，以及近年来出现的任何进步，都是由于各种化学相互作用和原理。应该注意的是，这些化学反应与大多数与化学有关的反应不同——即获取一个分子并将其与另一个分子反应以产生不同的分子。相反，这些原理是基于电化学的，它涉及离子电荷的变化以促进电子运动，并包括诸如离子和电子迁移机制、固态晶格中空穴的利用以及电化学半反应等机制其他。在这里，我们详细介绍了一些常见的储能设备如何依靠化学来有效发挥作用。

电容器

电容器是最古老的能量储存设备之一，它通过在电场中储存势能来实现。电容器利用称为电容的现象工作，电容是电荷相对于电势变化的变化。有许多不同类型的电容器，所有这些电容器的机制都略有不同，但标准电容器具有两个导电区域，由非导电介电板或真空隔开。

在电容器中，当来自另一个组件、设备或其他电源的电荷导致电荷出现在其中一个导体中时，将对另一个导体内的电荷载流子施加力。这导致电荷载流子吸引带相反电荷的物质，同时将相同电荷排斥到另一个导体，这导致两个导体表面之间的电荷分离。因为两个导体具有等量的电荷，所以分隔两个导体的电介质区域产生电场。

能量可以存储在电容器内，因为导体区域靠得很近。这个短距离导致电荷在存在电场的情况下相互吸引。然后，通过做大量功将极板移动到一起，电容器能够为定义的电压存储大量电能。随着板之间的距离减小，完成的工作量呈指数增加。

电池

当今使用的电池有很多种——从铝基电池到各种类型的锂电池（锂空气、锂金属等）和氧化还原液流电池。鉴于这里的重点是储能，因此重点是可充电锂离子电池，因为它们的应用如此广泛，而氧化还原液流电池则因为它们用于更大规模的储能应用。

锂离子

锂离子电池在充电时储存能量，并在放电时缓慢释放能量——即，当装有电池的设备打开时。为了储存能量，这些电池会通过阴极的还原反应进行充电。这种还原反应导致来自外部来源（例如电源）的电子与锂离子结合。然后，这会导致离子在阳极内迁移和嵌入；于是，能量基本上以锂离子内束缚电子的形式储存。当用户打开设备时，电池将通过氧化反应进行放电过程。放电过程将锂离子移动到阴极并释放电子，从而产生可用电流。如果电池不执行这些机制中的任何一个，

氧化还原流

氧化还原液流电池更多地设计用于大容量储能。尽管氧化还原液流电池可以与各种过渡金属离子一起使用，但它们最常与铁、钒和锌一起使用。氧化还原液流电池与锂离子系统有很大不同。主要区别之一是电化学过程涉及两种溶剂系统。这些溶剂系统中的每一个都有溶解在溶剂中的活性成分——通常是金属盐。这种溶解可以采取活性成分部分或完全溶解的形式。

电解质溶液通常保存在单独的外部罐中。溶液在通过电极时被泵送到系统周围，但通过离子分离膜彼此分开。两个电极之间的离子交换机制产生电势并发电。之所以将它们用于更大规模的储能应用，是因为在这些储罐中储存能量的能力比传统电池大得多。

在这些系统中，电化学反应和能量储存发生在电解质内而不是电极内，并且依赖于电化学半反应。放电时，阳极侧发生氧化反应。该反应释放一个电子，然后该电子行进到电池的阴极侧，在那里通过还原反应被接受。充电机制原理相同，只是电流方向和电化学反应方向相反。整个系统通过交换带正电荷的氢离子来保持电荷中性。

储氢

与此处详述的其他方法相比，最近才实现了氢储存，但它是电动汽车 (EV) 发展的一个重要领域。氢储存用途广泛，在这种情况下作为能源的氢离子可以多种气态、液态和固态形式储存。氢的物理储存很容易理解，其形式为压缩氢气、储存在罐中的液态氢以及冷却至低温条件然后压缩的氢。

然而，有许多不同类型的固体形式的氢储存，它们利用有机和材料化学的原理来安全地储存氢。在这些存储机制中的每一个中，氢将被存储，直到刺激（例如热量）导致存储介质的化学性质发生变化并释放氢。

在固体材料中储存氢有两种常见的方法：

第一种方法是通过固体表面的化学吸附——例如金属有机骨架 (MOF)。

第二种方法是通过间隙迁移到固体晶格中。该方法也从吸附在固体表面的氢分子开始。然后氢分子分解成氢原子并存储在固态晶格的孔中。

储存氢气的最终方法——同样在很大程度上依赖于化学反应——是通过化学反应。

第一种方法是通过与金属反应形成金属氢化物。在这种类型的化学反应中，氢成为金属离子之间的间隙离子。

第二种方法是通过与对氢吸收具有高亲和力的化合物（例如咔唑衍生物和甲苯）进行液体有机反应。

第三种方法是通过含氢材料与水或其他富氧溶剂反应。在这种类型的化学反应中，氢储存在材料和溶剂中。

结论

总的来说，有许多方法可以储存能量，但在许多情况下，所使用的能量储存设备的类型取决于预期的应用。然而，无论应用如何，每个储能设备都依赖于高效的电化学机制，不仅可以迁移任何相关的离子和电子，还可以在需要时储存能量。因此，化学是任何储能应用的核心。

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