Lưu trữ và Chuyển đổi Năng lượng Điện hóa
Các thiết bị lưu trữ và chuyển đổi năng lượng điện hóa chuyển đổi qua lại giữa năng lượng hóa học và năng lượng điện thông qua các phản ứng oxy hóa khử được kiểm soát, bao gồm pin, pin nhiên liệu, siêu tụ điện và các chất xúc tác điện hóa hỗ trợ chúng.
Definition
Nhánh điện hóa học liên quan đến các thiết bị và vật liệu lưu trữ hoặc chuyển đổi năng lượng thông qua các phản ứng điện cực, bao gồm pin, pin nhiên liệu, siêu tụ điện và chất xúc tác điện hóa.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm các công nghệ chính của năng lượng điện hóa: pin lưu trữ năng lượng trong các phản ứng điện cực thuận nghịch, pin nhiên liệu chuyển đổi nhiên liệu hóa học liên tục thành điện năng, siêu tụ điện lưu trữ điện tích trong lớp điện kép, và xúc tác điện hóa giúp giảm quá thế giới hạn các thiết bị này. Nó đề cập đến các giới hạn nhiệt động lực học, tổn thất động học và vật liệu quyết định mật độ năng lượng, công suất và hiệu suất.
Sub-topics
Core questions
- Năng lượng điện được lưu trữ và thu hồi từ các phản ứng điện cực thuận nghịch như thế nào?
- Những yếu tố nhiệt động lực học và động học nào thiết lập điện áp, mật độ năng lượng và công suất của một thiết bị?
- Pin, pin nhiên liệu và siêu tụ điện khác nhau như thế nào về cơ chế và sự đánh đổi của chúng?
- Tại sao xúc tác điện hóa lại có tính quyết định đối với hiệu suất của các thiết bị chuyển đổi năng lượng?
Key theories
- Sự đánh đổi giữa năng lượng và công suất
- Các thiết bị khác nhau trong cách chúng lưu trữ điện tích: pin cung cấp mật độ năng lượng cao thông qua các phản ứng oxy hóa khử khối, siêu tụ điện cung cấp công suất cao thông qua lưu trữ điện tích bề mặt nhanh, và pin nhiên liệu chuyển đổi nhiên liệu liên tục, mỗi loại chiếm một vùng riêng biệt trong biểu đồ năng lượng-công suất.
- Giới hạn điện áp và hiệu suất
- Điện áp tối đa của pin được thiết lập bởi nhiệt động lực học phản ứng, trong khi điện áp và hiệu suất thực tế bị giảm do quá thế hoạt hóa, quá thế ohmic và quá thế nồng độ, làm cho động học điện cực và xúc tác trở nên trung tâm đối với hiệu suất của thiết bị.
Clinical relevance
Các thiết bị năng lượng điện hóa cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử di động, xe điện và lưu trữ lưới điện, đồng thời là nền tảng cho quá trình chuyển đổi sang năng lượng carbon thấp thông qua pin nhiên liệu hydro và máy điện phân; những tiến bộ trong lĩnh vực này ảnh hưởng trực tiếp đến việc tích hợp năng lượng tái tạo và điện khí hóa giao thông vận tải.
History
Từ chồng Volta (1800) và pin khí của Grove (1839) đến pin axit-chì và pin niken của thế kỷ 19, năng lượng điện hóa đã phát triển đáng kể với pin lithium-ion được thương mại hóa vào năm 1991, công trình được công nhận bằng Giải Nobel Hóa học năm 2019 cho Goodenough, Whittingham và Yoshino.
Key figures
- Alessandro Volta
- William Grove
- John B. Goodenough
- M. Stanley Whittingham
Related topics
Seminal works
- winter2004
- newman2004
- bard2001
Frequently asked questions
- Sự khác biệt cơ bản giữa pin và pin nhiên liệu là gì?
- Pin lưu trữ các chất phản ứng bên trong và bị cạn kiệt hoặc được sạc lại, trong khi pin nhiên liệu được cung cấp nhiên liệu và chất oxy hóa từ các bể chứa bên ngoài và tạo ra năng lượng liên tục miễn là chúng chảy.
- Tại sao siêu tụ điện cung cấp nhiều công suất hơn nhưng ít năng lượng hơn pin?
- Siêu tụ điện lưu trữ điện tích vật lý trong lớp điện kép, nhanh nhưng hạn chế về dung lượng, trong khi pin lưu trữ năng lượng trong các phản ứng hóa học khối có thể chứa nhiều điện tích hơn nhưng giải phóng chậm hơn.