การจัดเก็บและการแปลงพลังงานเคมีไฟฟ้า

อุปกรณ์จัดเก็บและแปลงพลังงานเคมีไฟฟ้าจะเปลี่ยนพลังงานเคมีและพลังงานไฟฟ้าซึ่งกันและกันผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์ที่มีการควบคุม ครอบคลุมแบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิง ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ และตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่ช่วยให้อุปกรณ์เหล่านี้ทำงานได้

Definition

สาขาของเคมีไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์และวัสดุที่จัดเก็บหรือแปลงพลังงานผ่านปฏิกิริยาอิเล็กโทรด รวมถึงแบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิง ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ และตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้า

Scope

สาขานี้ครอบคลุมเทคโนโลยีหลักของพลังงานเคมีไฟฟ้า ได้แก่ แบตเตอรี่ที่เก็บพลังงานในปฏิกิริยาอิเล็กโทรดแบบผันกลับได้ เซลล์เชื้อเพลิงที่แปลงเชื้อเพลิงเคมีเป็นไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ที่เก็บประจุในชั้นคู่ไฟฟ้า และตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าที่ช่วยลดโอเวอร์โพเทนเชียลที่เป็นข้อจำกัดของอุปกรณ์เหล่านี้ โดยจะกล่าวถึงขีดจำกัดทางเทอร์โมไดนามิก การสูญเสียจลนศาสตร์ และวัสดุที่เป็นตัวกำหนดความหนาแน่นของพลังงาน กำลัง และประสิทธิภาพ

Sub-topics

• แบตเตอรี่และเซลล์ทุติยภูมิ
• เคมีไฟฟ้าเชิงเร่งปฏิกิริยา
• เซลล์เชื้อเพลิง
• ซูเปอร์คาปาซิเตอร์

Core questions

• พลังงานไฟฟ้าถูกจัดเก็บและกู้คืนจากปฏิกิริยาอิเล็กโทรดแบบผันกลับได้อย่างไร?
• ปัจจัยทางเทอร์โมไดนามิกและจลนศาสตร์ใดที่กำหนดแรงดันไฟฟ้า ความหนาแน่นของพลังงาน และกำลังของอุปกรณ์?
• แบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิง และซูเปอร์คาปาซิเตอร์แตกต่างกันอย่างไรในกลไกและข้อดีข้อเสีย?
• เหตุใดตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์แปลงพลังงาน?

Key theories

การแลกเปลี่ยนระหว่างพลังงานและกำลัง

อุปกรณ์มีความแตกต่างกันในการจัดเก็บประจุ: แบตเตอรี่ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์แบบกลุ่ม ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ให้กำลังสูงผ่านการจัดเก็บประจุบนพื้นผิวอย่างรวดเร็ว และเซลล์เชื้อเพลิงแปลงเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง โดยแต่ละชนิดจะอยู่ในพื้นที่ที่แตกต่างกันของภูมิทัศน์พลังงาน-กำลัง

ขีดจำกัดของแรงดันไฟฟ้าและประสิทธิภาพ

แรงดันไฟฟ้าสูงสุดของเซลล์ถูกกำหนดโดยเทอร์โมไดนามิกของปฏิกิริยา ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าและประสิทธิภาพในทางปฏิบัติจะลดลงเนื่องจากโอเวอร์โพเทนเชียลจากการกระตุ้น โอห์มมิก และความเข้มข้น ทำให้จลนศาสตร์ของอิเล็กโทรดและการเร่งปฏิกิริยามีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์

Clinical relevance

อุปกรณ์พลังงานเคมีไฟฟ้าเป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา ยานยนต์ไฟฟ้า และการจัดเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้า และเป็นรากฐานของการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานคาร์บอนต่ำผ่านเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและเครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ความก้าวหน้าในสาขานี้ส่งผลโดยตรงต่อการบูรณาการพลังงานหมุนเวียนและการใช้พลังงานไฟฟ้าในการขนส่ง

History

ตั้งแต่กองแบตเตอรี่ของโวลตา (Volta's pile) (ค.ศ. 1800) และแบตเตอรี่ก๊าซของโกรฟ (Grove's gas battery) (ค.ศ. 1839) ไปจนถึงแบตเตอรี่ตะกั่วกรดและแบตเตอรี่นิกเกิลในศตวรรษที่ 19 พลังงานเคมีไฟฟ้าได้พัฒนาอย่างมากด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เริ่มจำหน่ายเชิงพาณิชย์ในปี ค.ศ. 1991 ซึ่งเป็นผลงานที่ได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี ค.ศ. 2019 ให้แก่ Goodenough, Whittingham และ Yoshino

Key figures

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

Seminal works

• winter2004
• newman2004
• bard2001

Frequently asked questions

ความแตกต่างพื้นฐานระหว่างแบตเตอรี่และเซลล์เชื้อเพลิงคืออะไร?

แบตเตอรี่จะเก็บสารตั้งต้นไว้ภายในและจะหมดหรือต้องชาร์จใหม่ ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงจะได้รับเชื้อเพลิงและสารออกซิไดซ์จากแหล่งภายนอกและสร้างพลังงานอย่างต่อเนื่องตราบเท่าที่สารเหล่านั้นไหลผ่าน

เหตุใดซูเปอร์คาปาซิเตอร์จึงให้กำลังมากกว่าแต่มีพลังงานน้อยกว่าแบตเตอรี่?

ซูเปอร์คาปาซิเตอร์จะเก็บประจุทางกายภาพในชั้นคู่ไฟฟ้า ซึ่งรวดเร็วแต่มีความจุจำกัด ในขณะที่แบตเตอรี่จะเก็บพลังงานในปฏิกิริยาเคมีแบบกลุ่มที่เก็บประจุได้มากกว่ามากแต่ปล่อยออกมาได้ช้ากว่า