电化学能量储存与转化
电化学能量储存与转化装置通过受控的氧化还原反应实现化学能与电能的相互转换，包括电池、燃料电池、超级电容器以及使这些装置得以运行的电催化剂。
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Definition
电化学的一个分支，关注通过电极反应储存或转化能量的装置和材料，包括电池、燃料电池、超级电容器和电催化剂。
Scope
该领域涵盖电化学能量的主要技术：通过可逆电极反应储存能量的电池，将化学燃料连续转化为电能的燃料电池，在电双层中储存电荷的超级电容器，以及降低限制这些装置的过电位的电催化。它涉及决定能量密度、功率和效率的热力学极限、动力学损失和材料。
Sub-topics
Core questions
- 电能如何通过可逆电极反应储存和回收？
- 哪些热力学和动力学因素决定了装置的电压、能量密度和功率？
- 电池、燃料电池和超级电容器在机制和权衡方面有何不同？
- 为什么电催化对能量转换装置的效率至关重要？
Key theories
- 能量与功率的权衡
- 不同装置储存电荷的方式不同：电池通过本体氧化还原反应提供高能量密度，超级电容器通过快速表面电荷储存提供高功率，燃料电池则连续转换燃料，每种装置在能量-功率图景中占据不同的区域。
- 电压和效率限制
- 最大电池电压由反应热力学决定，而实际电压和效率会因活化、欧姆和浓差过电位而降低，这使得电极动力学和催化成为装置性能的核心。
Clinical relevance
电化学能量装置为便携式电子产品、电动汽车和电网储能提供动力，并通过氢燃料电池和电解槽支持向低碳能源的转型；该领域的进展直接影响可再生能源的整合和交通电气化。
History
从伏打电堆（1800年）和格罗夫气体电池（1839年）到19世纪的铅酸电池和镍电池，电化学电源随着1991年商业化的锂离子电池而发生了巨大发展，古迪纳夫、惠廷汉姆和吉野因其工作获得了2019年诺贝尔化学奖。
Key figures
- Alessandro Volta
- William Grove
- John B. Goodenough
- M. Stanley Whittingham
Related topics
Seminal works
- winter2004
- newman2004
- bard2001
Frequently asked questions
- 电池和燃料电池的基本区别是什么？
- 电池将其反应物储存在内部，会耗尽或需要充电，而燃料电池则从外部储罐供应燃料和氧化剂，只要它们持续流动就能连续发电。
- 为什么超级电容器比电池提供更高的功率但更低的能量？
- 超级电容器通过电双层物理储存电荷，这种方式速度快但容量有限；而电池通过本体化学反应储存能量，这种方式能储存更多电荷但释放速度较慢。