1.4　储能技术学科的基础科学问题

储能过程的本质是进行不同能量形式之间的转化,实现时间和空间的分离。利用储能过程,把分散的、低密度、波动的能量,转化为可调、可控、可利用的能源,从而大幅度提高能源的价值,或者提高能源系统的安全性。在不同能源转化过程,无论是能源形式,还是能源的数量,均遵守能量守恒原理和熵增原理等基本科学规律。所有的储能技术与储能装备研究开发过程,都需要以科学规律为指导,在此基础上发展高效率转化技术,才能在工程领域取得成功。

半个多世纪以前,原子物理学家揭开了物质结构的奥秘,将存在于原子核内部的能量进行可控释放,形成了今天规模庞大的原子能工业,核能开发与利用在国家能源结构中正在占据越来越重要的地位。介于原子核间的强相互作用,普遍存在于物质间,使离子相结合或原子相结合的化学键作用力,成为大规模储能科学研究的聚焦点。该相互作用属于分子层次或离子团范畴。例如,氧气分子中的OO双键的键能高达498kJ/mol,燃烧过程就是通过氧化反应把化学键能转化为热能释放出来。

为了将可再生能源产生的电力有效储存,人们寄希望于可逆化学反应。利用化学键的形成与断裂,将电能转化为化学能储存在化学键中,需要的时候定量释放出来,让化学键成为能量的载体。然而,要实现这样的过程,必须满足以下几方面条件:①化学反应的可逆性;②化学反应的可控性;③化学反应物质和产物(或者称能源载体)安全、环保、价廉,易于大量获取。

例如:可以将氧化还原反应中的氧化过程、还原过程分离开,在两个不同的电极上进行,由此构成得失电子过程,将其组合成电化学池(电池),完成电能与化学能的相互转化与储存。将这种科学原理进行工程化放大,形成一门崭新的学科——电化学储能科学与工程。

一般来讲,电化学储能科学与工程可以认为是利用可逆的电化学反应原理,完成电能和化学能的相互转化,进行能量高效管理和利用的技术。所涉及的主要科学领域包括:电化学、电池材料学、化学工程等科学与工程技术。