ذخیره و تبدیل انرژی الکتروشیمیایی

دستگاه‌های ذخیره و تبدیل انرژی الکتروشیمیایی، انرژی شیمیایی و الکتریکی را از طریق واکنش‌های ردوکس کنترل‌شده به یکدیگر تبدیل می‌کنند که شامل باتری‌ها، پیل‌های سوختی، ابرخازن‌ها و الکتروکاتالیست‌هایی است که این فرآیندها را ممکن می‌سازند.

Definition

شاخه الکتروشیمی مرتبط با دستگاه‌ها و موادی که انرژی را از طریق واکنش‌های الکترودی ذخیره یا تبدیل می‌کنند، شامل باتری‌ها، پیل‌های سوختی، ابرخازن‌ها و الکتروکاتالیست‌ها.

Scope

این حوزه فناوری‌های اصلی انرژی الکتروشیمیایی را پوشش می‌دهد: باتری‌هایی که انرژی را در واکنش‌های برگشت‌پذیر الکترودی ذخیره می‌کنند، پیل‌های سوختی که سوخت‌های شیمیایی را به طور پیوسته به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، ابرخازن‌هایی که بار را در لایه دوتایی الکتریکی ذخیره می‌کنند، و الکتروکاتالیز که اضافه پتانسیل‌های محدودکننده این دستگاه‌ها را کاهش می‌دهد. این حوزه به محدودیت‌های ترمودینامیکی، تلفات جنبشی و موادی که چگالی انرژی، توان و بازده را تعیین می‌کنند، می‌پردازد.

Sub-topics

• باتری‌ها و پیل‌های ثانویه
• الکتروکاتالیز
• پیل‌های سوختی
• ابرخازن‌ها

Core questions

• انرژی الکتریکی چگونه در واکنش‌های برگشت‌پذیر الکترودی ذخیره و از آن‌ها بازیابی می‌شود؟
• چه عوامل ترمودینامیکی و جنبشی ولتاژ، چگالی انرژی و توان یک دستگاه را تعیین می‌کنند؟
• باتری‌ها، پیل‌های سوختی و ابرخازن‌ها از نظر مکانیسم‌ها و مصالحه‌ها (trade-offs) چه تفاوت‌هایی دارند؟
• چرا الکتروکاتالیز برای کارایی دستگاه‌های تبدیل انرژی تعیین‌کننده است؟

Key theories

مصالحه انرژی و توان

دستگاه‌ها در نحوه ذخیره بار متفاوت هستند: باتری‌ها چگالی انرژی بالا را از طریق واکنش‌های ردوکس حجمی ارائه می‌دهند، ابرخازن‌ها توان بالا را از طریق ذخیره سریع بار سطحی ارائه می‌دهند، و پیل‌های سوختی سوخت را به طور پیوسته تبدیل می‌کنند، که هر کدام منطقه متمایزی از چشم‌انداز انرژی-توان را اشغال می‌کنند.

محدودیت‌های ولتاژ و کارایی

حداکثر ولتاژ سلول توسط ترمودینامیک واکنش تعیین می‌شود، در حالی که ولتاژ و کارایی عملی توسط اضافه پتانسیل‌های فعال‌سازی، اهمی و غلظتی کاهش می‌یابد، که سینتیک الکترود و کاتالیز را برای عملکرد دستگاه محوری می‌سازد.

Clinical relevance

دستگاه‌های انرژی الکتروشیمیایی به وسایل الکترونیکی قابل حمل، وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره‌سازی شبکه برق نیرو می‌دهند و از طریق پیل‌های سوختی هیدروژنی و الکترولایزرها، گذار به انرژی کم‌کربن را تقویت می‌کنند؛ پیشرفت‌ها در این زمینه مستقیماً بر یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و برقی‌سازی حمل‌ونقل تأثیر می‌گذارند.

History

از پیل ولتا (1800) و باتری گازی گروو (1839) تا باتری‌های سرب-اسید و نیکل در قرن نوزدهم، قدرت الکتروشیمیایی با باتری لیتیوم-یون که در سال 1991 تجاری شد، به طور چشمگیری تکامل یافت؛ کاری که با جایزه نوبل شیمی 2019 به گودیناف، ویتینگهام و یوشینو به رسمیت شناخته شد.

Key figures

• Alessandro Volta
• William Grove
• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham

Seminal works

• winter2004
• newman2004
• bard2001

Frequently asked questions

تفاوت اساسی بین باتری و پیل سوختی چیست؟

باتری واکنش‌دهنده‌های خود را به صورت داخلی ذخیره می‌کند و تخلیه یا شارژ می‌شود، در حالی که پیل سوختی از مخازن خارجی با سوخت و اکسیدکننده تغذیه می‌شود و تا زمانی که جریان داشته باشند، به طور پیوسته برق تولید می‌کند.

چرا ابرخازن‌ها توان بیشتری اما انرژی کمتری نسبت به باتری‌ها ارائه می‌دهند؟

ابرخازن‌ها بار را به صورت فیزیکی در لایه دوتایی الکتریکی ذخیره می‌کنند که سریع است اما ظرفیت محدودی دارد، در حالی که باتری‌ها انرژی را در واکنش‌های شیمیایی حجمی ذخیره می‌کنند که بار بسیار بیشتری را نگه می‌دارند اما آن را کندتر آزاد می‌کنند.