1.4　儲能技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)問題

儲能過程的本質(zhì)是進行不同能量形式之間的轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)時間和空間的分離。利用儲能過程,把分散的、低密度、波動的能量,轉(zhuǎn)化為可調(diào)、可控、可利用的能源,從而大幅度提高能源的價值,或者提高能源系統(tǒng)的安全性。在不同能源轉(zhuǎn)化過程,無論是能源形式,還是能源的數(shù)量,均遵守能量守恒原理和熵增原理等基本科學(xué)規(guī)律。所有的儲能技術(shù)與儲能裝備研究開發(fā)過程,都需要以科學(xué)規(guī)律為指導(dǎo),在此基礎(chǔ)上發(fā)展高效率轉(zhuǎn)化技術(shù),才能在工程領(lǐng)域取得成功。

半個多世紀(jì)以前,原子物理學(xué)家揭開了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘,將存在于原子核內(nèi)部的能量進行可控釋放,形成了今天規(guī)模龐大的原子能工業(yè),核能開發(fā)與利用在國家能源結(jié)構(gòu)中正在占據(jù)越來越重要的地位。介于原子核間的強相互作用,普遍存在于物質(zhì)間,使離子相結(jié)合或原子相結(jié)合的化學(xué)鍵作用力,成為大規(guī)模儲能科學(xué)研究的聚焦點。該相互作用屬于分子層次或離子團范疇。例如,氧氣分子中的OO雙鍵的鍵能高達498kJ/mol,燃燒過程就是通過氧化反應(yīng)把化學(xué)鍵能轉(zhuǎn)化為熱能釋放出來。

為了將可再生能源產(chǎn)生的電力有效儲存,人們寄希望于可逆化學(xué)反應(yīng)。利用化學(xué)鍵的形成與斷裂,將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在化學(xué)鍵中,需要的時候定量釋放出來,讓化學(xué)鍵成為能量的載體。然而,要實現(xiàn)這樣的過程,必須滿足以下幾方面條件:①化學(xué)反應(yīng)的可逆性;②化學(xué)反應(yīng)的可控性;③化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)和產(chǎn)物(或者稱能源載體)安全、環(huán)保、價廉,易于大量獲取。

例如:可以將氧化還原反應(yīng)中的氧化過程、還原過程分離開,在兩個不同的電極上進行,由此構(gòu)成得失電子過程,將其組合成電化學(xué)池(電池),完成電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化與儲存。將這種科學(xué)原理進行工程化放大,形成一門嶄新的學(xué)科——電化學(xué)儲能科學(xué)與工程。

一般來講,電化學(xué)儲能科學(xué)與工程可以認為是利用可逆的電化學(xué)反應(yīng)原理,完成電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化,進行能量高效管理和利用的技術(shù)。所涉及的主要科學(xué)領(lǐng)域包括:電化學(xué)、電池材料學(xué)、化學(xué)工程等科學(xué)與工程技術(shù)。