Электрохимическое накопление и преобразование энергии
Устройства электрохимического накопления и преобразования энергии взаимно преобразуют химическую и электрическую энергию посредством контролируемых окислительно-восстановительных реакций, включая батареи, топливные элементы, суперконденсаторы и электрокатализаторы, которые обеспечивают их работу.
Definition
Раздел электрохимии, занимающийся устройствами и материалами, которые запасают или преобразуют энергию посредством электродных реакций, включая батареи, топливные элементы, суперконденсаторы и электрокатализаторы.
Scope
Эта область охватывает основные технологии электрохимической энергии: батареи, которые запасают энергию в обратимых электродных реакциях; топливные элементы, которые непрерывно преобразуют химическое топливо в электричество; суперконденсаторы, которые запасают заряд в электрическом двойном слое; и электрокатализ, который снижает перенапряжения, ограничивающие работу этих устройств. Она рассматривает термодинамические пределы, кинетические потери и материалы, которые определяют плотность энергии, мощность и эффективность.
Sub-topics
Core questions
- Как электрическая энергия запасается и извлекается из обратимых электродных реакций?
- Какие термодинамические и кинетические факторы определяют напряжение, плотность энергии и мощность устройства?
- Чем батареи, топливные элементы и суперконденсаторы отличаются по своим механизмам и компромиссам?
- Почему электрокатализ имеет решающее значение для эффективности устройств преобразования энергии?
Key theories
- Компромисс между энергией и мощностью
- Устройства различаются по способу накопления заряда: батареи обеспечивают высокую плотность энергии за счет объемных окислительно-восстановительных реакций, суперконденсаторы обеспечивают высокую мощность за счет быстрого поверхностного накопления заряда, а топливные элементы непрерывно преобразуют топливо, при этом каждое из них занимает отдельную область на диаграмме энергия-мощность.
- Пределы напряжения и эффективности
- Максимальное напряжение элемента определяется термодинамикой реакции, в то время как практическое напряжение и эффективность снижаются за счет активационных, омических и концентрационных перенапряжений, что делает электродную кинетику и катализ центральными для производительности устройства.
Clinical relevance
Электрохимические энергетические устройства питают портативную электронику, электромобили и системы хранения энергии в сети, а также лежат в основе перехода к низкоуглеродной энергетике через водородные топливные элементы и электролизеры; достижения в этой области напрямую влияют на интеграцию возобновляемых источников энергии и электрификацию транспорта.
History
От вольтова столба (1800) и газовой батареи Гроува (1839) до свинцово-кислотных и никелевых батарей XIX века, электрохимическая энергетика значительно развивалась с коммерциализацией литий-ионной батареи в 1991 году, работа, признанная Нобелевской премией по химии 2019 года Гуденафу, Уиттингему и Ёсино.
Key figures
- Alessandro Volta
- William Grove
- John B. Goodenough
- M. Stanley Whittingham
Related topics
Seminal works
- winter2004
- newman2004
- bard2001
Frequently asked questions
- В чем основное различие между батареей и топливным элементом?
- Батарея хранит свои реагенты внутри и истощается или перезаряжается, тогда как топливный элемент снабжается топливом и окислителем из внешних резервуаров и непрерывно генерирует энергию, пока они поступают.
- Почему суперконденсаторы обеспечивают большую мощность, но меньшую энергию, чем батареи?
- Суперконденсаторы хранят заряд физически в электрическом двойном слое, что быстро, но ограничено по емкости, в то время как батареи хранят энергию в объемных химических реакциях, которые содержат гораздо больше заряда, но высвобождают его медленнее.