化学工程在电化学储能领域的最新研究进展

化学工程在电化学储能领域的最新研究进展

李建锋   杨皓

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摘要

电化学储能技术作为解决能源短缺和环境污染的重要途径，近年来得到了快速发展。化学工程在电化学储能领域发挥着至关重要的作用，涉及材料合成、器件设计、性能优化等多个方面。 针对高倍率电化学储能需求，化学工程领域的研究者们致力于开发新型的赝电容材料，例如过渡金属氧化物。化学工程领域还关注电解质与电极材料的润湿性问题，这对于提高电化学储能、转换效率至关重要。化学工程领域还致力于开发金属有机框架材料及其衍生物，这些材料具有高比表面积、可调孔隙率和丰富的活性位点，在电化学储能和转换方面展现出巨大潜力。

关键词: 电化学储能, 化学工程, 电池, 电极材料, 电解质

1 引言

电化学储能技术作为一种能够将电能可逆地进行存储和释放的技术，在解决可再生能源利用过程中的随机性和间歇性问题，以及实现电能的时空转移方面发挥着至关重要的作用 。随着全球三大新兴产业（新能源、智能电网、电动汽车）的蓬勃发展，电化学储能技术成为了支撑未来新兴产业发展的关键技术 。

2 电化学储能技术概述

2.1 锂离子电池

锂离子电池作为一种重要的电化学储能技术，近年来在便携式电子设备、电动汽车和储能系统等领域得到了广泛应用。 锂离子电池的工作原理是基于锂离子在正负极之间可逆的嵌入和脱出过程。 锂离子电池的材料体系主要包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜。目前，锂离子电池正极材料主要以层状氧化物为主，如LiCoO2、LiNiMnCoO2等。负极材料主要以石墨为主，近年来也发展了硅、锡等新型负极材料。 锂离子电池的发展趋势主要集中在提高能量密度、功率密度、循环寿命和安全性等方面。

2.2 钠离子电池

钠离子电池作为锂离子电池的潜在替代品，近年来受到广泛关注。 钠资源丰富且价格低廉，使其在储能领域具有显著优势。钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，主要依靠钠离子在正负极材料之间迁移实现充放电。钠离子电池的材料体系主要包括正极材料、负极材料和电解液。目前，钠离子电池的研究主要集中在开发高性能的正负极材料和电解液，以提高电池的能量密度、功率密度和循环寿命。钠离子电池有望在电动汽车、储能电站等领域得到广泛应用。

2.3 燃料电池

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的装置，其工作原理是利用燃料与氧化剂之间的化学反应产生电流。燃料电池的核心是电解质，它允许带电粒子在电极之间移动，从而形成电流。燃料电池的优点包括：高能量转换效率、零排放、低噪音、可持续性等，因此在电化学储能领域具有广阔的应用前景。 燃料电池的发展趋势主要集中在以下几个方面：提高能量转换效率、降低成本、提高耐久性、开发新型燃料电池材料等。

3 化学工程在电化学储能中的应用

3.1 材料合成

纳米材料合成方面，化学工程利用其精细控制的优势，可以精确调控纳米材料的尺寸、形貌、结构和组成，从而优化材料的电化学性能。例如，文献[9]中提到了过渡金属氧化物的赝电容特性，化学工程可以利用溶胶-凝胶法、水热法等方法制备具有高比表面积、良好电导率和优异的电化学活性的纳米氧化物材料，从而提高电化学储能器件的能量密度和功率密度。

新型电极材料制备方面，化学工程可以利用其对材料合成和加工的深入理解，开发出具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的新型电极材料。例如，文献[10]中提到了电解质润湿性对电极材料性能的影响，化学工程可以利用表面改性、复合材料制备等方法，提高电极材料的电解质润湿性，从而改善电极材料的电化学性能。

3.2 器件设计

电极结构设计 旨在提高电极材料的利用率、电子/离子传输效率以及循环稳定性。例如，通过引入三维多孔结构，可以有效增加电极材料的表面积，为电化学反应提供更多活性位点，并缩短离子传输路径，提高电极材料的倍率性能。

电解质设计 则需要考虑电解质的离子电导率、电化学窗口、安全性以及与电极材料的相容性等因素。近年来，研究者们致力于开发新型电解质，例如固态电解质、离子液体电解质以及氧化还原活性电解质，以克服传统液态电解质存在的安全隐患和电化学窗口限制 。

3.3 工艺优化

电池组装方面，化学工程可以优化电极材料的制备工艺，例如通过控制反应条件、添加剂种类和比例等，提高电极材料的比表面积、电导率和稳定性，从而提升电池的性能。化学工程还可以优化电池的结构设计，例如通过引入三维结构、纳米材料等，提高电池的能量密度和功率密度。

充放电过程优化方面，化学工程可以优化电解液的组成和性能，例如通过添加合适的添加剂，提高电解液的离子电导率、电化学窗口和稳定性，从而提升电池的循环寿命和安全性。化学工程还可以优化电池的充放电策略，例如通过采用恒流-恒压充放电模式、脉冲充放电模式等，提高电池的充放电效率和能量利用率。

4 未来展望

新型材料开发: 探索新型高性能电极材料，例如具有更高能量密度、更快的充放电速率、更长的循环寿命和更优异的安全性能的材料。例如，开发新型锂离子电池正极材料，如高镍三元材料(NCM) ，以及锂硫、锂空气电池体系。开发新型电解质材料，例如固态电解质，以提高电池的安全性。

器件设计创新: 优化电化学储能器件的设计，例如开发三维结构的电极材料 ，以提高材料的利用率和电化学性能。此外，开发新型的储能器件，例如混合电容器 ，以满足不同应用场景的需求。

工艺优化: 优化电化学储能材料的制备工艺，例如采用机械研磨法制备三嗪基多孔聚合物及其炭，以提高材料的性能和降低成本。开发高效的电化学储能器件的组装工艺，例如采用均匀共沉淀法制备纳米SnO2@BNNSs复合材料 ，以提高器件的性能和可靠性。

5 结束语

化学工程在电化学储能领域发挥着至关重要的作用，为开发高性能储能材料和器件提供了关键技术支撑。 化学工程师们不断探索新型储能材料的合成方法，优化材料结构和性能，并设计制造高效、安全的储能器件。未来，化学工程将继续在电化学储能领域发挥重要作用，推动储能技术的发展，为构建清洁、高效、可持续的能源体系贡献力量。

参考文献

[1] 慧敏 李, 耀祖 廖. 机械研磨法制备三嗪基多孔聚合物及其炭的电化学储能研究[J].工程技术与管理, 2020

[2] 宋维鑫，侯红帅，纪效波. 磷酸钒钠Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 电化学储能研究进展[J].2016, 33:103-129

[3] 刘　坤. 电化学储能系统在电网调峰中的应用研究[J].水利电力技术与应用, 2024