化学工程视野下的电化学能源转换与存储

化学工程视野下的电化学能源转换与存储

郭丽

身份证 53230119920701****

摘要：随着能源危机以及环境污染问题日益严峻，以石油、煤和天然气等传统化石能源为主导的能源结构逐渐无法满足世界各国不断增长的能源需求，因此开发清洁高效可再生的新能源体系迫在眉睫。电化学能源转换与存储主要涉及二次电池、电解水制氢、电催化CO2/N2还原、电合成精细化学品/燃料、超级电容器等体系。近年来，在高效电极材料、电催化剂、电解液、隔膜以及系统等方面均取得了较大的成绩，基本实现在实验室中材料的可控制备和系统的正常运行。但是，仍然面临着一些关键的科学和技术问题，距离其大规模工业化应用仍存在差距。事实上，在研发和工业生产的过程中，涉及了化学、化工、能源、材料等多个学科和领域，其中在化学工程领域，三传一反、产品分离以及环境等问题都不容忽视。基于此，本篇文章对化学工程视野下的电化学能源转换与存储进行研究，以供参考。

关键词：化学工程视野下；电化学能源；转换与存储

引言

矿物具有种类多、成本低和环境友好等优势，但目前矿物资源的综合利用主要以粗放、低端利用为主，高值化利用的基础及应用研究亟待加强。以锂离子电池为代表的二次电源已广泛应用于移动电子设备、电动汽车、大规模储能等领域。虽然近年来锂离子电池等高能量储能器件已得到长足发展，但还存在成本高、充放电速度慢等缺点。基于典型矿物的形貌、结构、成分等特点，将其应用于制造电化学储能器件电极材料或电解质等关键材料，有望改善电化学储能器件的能量密度和安全等多方面性能，并显著降低电池成本，同时实现矿物资源的高值化利用。

1电化学能源是可再生能源规模利用的基础

我国在“十三五”规划中提出的能源革命和能源结构调整战略方针是：到2020年，我国累计风能发电装机容量达到2.81亿千瓦，光伏发电达2.53亿千瓦。由于风能、太阳能等新能源具有不稳定、不连续的特性，其开发和利用受到昼夜、季节、地理位置等诸多因素的限制，需要大规模储能技术与之配套。世界许多国家都将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术。我国已于2016年成为全球最大的可再生能源生产和消费国。但由于储能设施发展不足，我国弃风、弃光率处于较高水平。电化学储能的能量密度高、可靠性好、负荷调节能力强，在可再生能源并网、电网电力辅助、基站备用电源、分布式及微网、家庭储能系统、电动汽车充换电站等方面已得到广泛应用，其技术水平和应用在很大程度上决定了可再生能源的发展水平。因此，我国需要加大电化学储能技术的研发，通过配置储能设备平衡发电和用电，确保电网稳定，实现安全、稳定供电，为可再生能源的规模应用提供技术支撑。

2电化学领域中的系统工程

传统电解水制氢的阳极反应为析氧反应（OER），其缓慢的反应动力学使得电解电压升高，大大降低了电解水制氢的能量利用效率，阻碍了水裂解制氢技术的工业化发展。因此研究者将电氧化制备高附加值的精细化学品取代OER，同时耦合阴极产氢过程组成杂化水裂解系统，同步实现了氢气与精细化学品的绿色化合成。这一耦合集成策略既解决了OER过电势高、产物附加值低的问题，也缓解了能量密集型的传统热催化制备精细化学品所带来的能源环境压力。目前杂化水裂解阳极替代反应主要有5-羟甲基糠醛（HMF）氧化、甘油氧化和苯甲醇氧化等。虽然替代反应的理论电压均小于OER（1.23Vvs.RHE），即反应能垒低，热力学反应优先发生，但是在工业级电流密度下，仍然可能发生OER副反应，进而导致电荷利用率低。此外，常用的贵金属阳极催化剂面临成本高和储量低等问题，无法满足大规模应用需求。Qiu等[30]制备了一系列价格低廉的过渡金属尖晶石氧化物（MCo2O4，M=Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn）纳米结构催化剂，首次研究了该系列催化剂对电催化甘油氧化的活性和选择性。研究结果表明，该系列催化剂的甘油电氧化本征活性与过渡金属元素（M）的原子序数有关，CuCo2O4呈现最优的本征催化活性，其在碱性（pH=13）和恒电位（1.3Vvs.RHE）条件下，甘油的转化率以及高附加值氧化产物的总法拉第效率分别高达79.7%和89.1%。

3化学工程视野下的电化学能源转换与存储

3.1储能设施

电化学储能技术是新能源电力技术中重要环节。高性能用电设备对电能质量要求较高，储能电源技术的快速发展为此类设备的应用起到了铺垫作用。储能技术是智能电网的重要组成部分，在未来电力系统中扮演越来越重要的角色。储能电源具有位置灵活、分散的特点，极好地适应了分散电力需求和资源分布，延缓了输配电网升级换代所需的巨额投资；与大电网互为备用，也使供电可靠性得以改善；具有污染少、能源利用效率高的优势。

3.2能量高效转化与存储的新机制

基于阴离子电荷补偿的高容量正极储锂新机制；基于氧、硫元素的多电子反应机制；有机分子电化学储能机制；团簇类、超分子类电极材料局域和离域性驻留双重特征的储能新机制；“离子－电子”共轭态储能机制；自旋电子调控电荷转移机制；工况环境下活性材料协同反应与长稳服役新机制；基于多学科交叉研究，获得电化学能源体系寿命预测、失效分析和高效安全管理的新机制。

3.3储能机制需进一步深入研究

目前，电极材料的电化学反应过程及储能机制研究大都以人工合成材料为对象，不考虑材料中可能含有的其他物质或元素的影响。相较于人工合成的材料，天然矿物成分、结构往往更加复杂，即使经过提纯后也往往含有少量伴生矿物或杂质元素。这些伴生矿物或杂质元素有些不具有电化学活性，如附着于活性材料表面，将会降低电极的比容量及倍率性能；而对于具有电化学活性或催化特性的元素，可能会改变或促进电极的电化学反应进程。因此，对基于矿物的电极材料的电化学反应过程及储能机理需要进行深入研究。另外，矿物表/界面特性可能对电极反应过程产生重要影响。例如，在液态电解液中添加蒙脱石，可以改变锂金属负极附近的锂离子浓度分布，从而影响锂金属沉积的过程。而在电池或电容器复合电极中，添加黏土矿物载体也可改变活性材料附近的锂离子浓度分布，这对复合电极的电化学反应过程及机制将产生何种影响是未知的。因此，基于矿物的(复合)电极材料的储能机理仍需要进一步研究。

结束语

能源危机与环境污染问题日益严重，太阳能、风能等可再生能源发电技术的兴起与成熟很大程度上推动了电化学能源转换与存储领域的迅猛发展。需将电化学能源转换与存储领域与化工基础理论和技术进行进一步结合，设计/优化与之相关体系。利用系统工程的技术方法，运用能源互联网，进行多系统/过程集成并优化，并采用先进的原位表征技术解析反应机理，综合使用工程方法，指导并解决应用中的实际问题，更好地推动电化学能源转换与存储领域的发展。

参考文献

[1]毛素华,方岩雄,李栋,党海峰,刘全兵.石墨相氮化碳改性及其在电化学能源转换和储存中的应用[J].现代化工,2021,41(04):17-21+25.

[2]汪洪溟,朱凌岳.石墨烯在电化学储能领域应用的研究进展[J].化学工程师,2019,33(07):69-72+35.

[3]赵浩哲.纳米金的绿色合成及其在光、电化学领域的应用[D].苏州大学,2019.

[4]朱佩佩.过渡金属磷化物制备及其在电化学储能领域的应用[D].南昌大学,2019.

[5]倪堃.电化学能源存储与转换材料第一性原理研究[D].中国科学技术大学,2019.