能源化学

引入

锂离子电池为什么能驱动手机和电动汽车?

氢能社会的设想是否可行?燃料电池的原理是什么?

太阳能电池如何将光能转化为电能?

能源化学研究化学能的存储和转化,是解决能源危机的关键学科。从化石能源到新能源,从电池到燃料电池,化学在能源领域扮演着核心角色。

正文

定义

能源化学是研究能源的开发、转化、存储和利用过程中涉及的化学问题的学科。

能源分类

分类依据	类型	例子
来源	一次能源	煤、石油、天然气、太阳能
	二次能源	电能、氢能、汽油
再生性	可再生能源	太阳能、风能、氢能
	不可再生能源	煤、石油、天然气
环保性	清洁能源	氢能、太阳能
	非清洁能源	煤（排放 $\mathrm{SO}{}_2$、$\mathrm{CO}{}_2$）

化石燃料的化学

煤

主要成分是碳,还含少量硫、氮。

$\mathrm{C}+\mathrm{O}{}_2\to \mathrm{CO}{}_2\Delta H=-393.5kJ/mol$

煤的气化:$\mathrm{C}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{高温}{\to }\mathrm{CO}+\mathrm{H}{}_2$（水煤气）

**问题:**燃煤释放 $\mathrm{SO}{}_2$（酸雨）、$\mathrm{NO}{}_x$、$\mathrm{CO}{}_2$（温室效应）和粉尘。

石油

由多种烃类组成的混合物,主要成分为烷烃、环烷烃和芳香烃。

通过分馏和裂化获得汽油、柴油等燃料。参见蒸馏与分馏。

天然气

主要成分是甲烷（$\mathrm{CH}{}_4$,体积分数 $80\%\sim 97\%$）。

$\mathrm{CH}{}_4+2\mathrm{O}{}_2\to \mathrm{CO}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\Delta H=-890kJ/mol$

天然气是相对清洁的化石燃料（产物只有 $\mathrm{CO}{}_2$ 和 $\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$,不含硫）。

锂离子电池

锂离子电池是目前最主流的二次电池,广泛用于手机、笔记本电脑和电动汽车。

**工作原理:**锂离子在正负极之间嵌入和脱出（“摇椅电池”）。

组成部分	材料	作用
正极	$\mathrm{LiCoO}{}_2$、$\mathrm{LiFePO}{}_4$、$\mathrm{LiMn}{}_2\mathrm{O}{}_4$	提供锂离子
负极	石墨（$\mathrm{C}{}_6$）	嵌入/脱出锂离子
电解质	$\mathrm{LiPF}{}_6$ 的有机碳酸酯溶液	传导锂离子
隔膜	多孔聚烯烃	防止短路

充放电反应:

$\text{正极:}\mathrm{LiCoO}{}_2\rightleftharpoons \mathrm{Li}{}_{1-x}\mathrm{CoO}{}_2+x\mathrm{Li}{}^{+}+\mathrm{xe}{}^{-}$

$\text{负极:}\mathrm{C}{}_6+x\mathrm{Li}{}^{+}+\mathrm{xe}{}^{-}\rightleftharpoons \mathrm{Li}{}_x\mathrm{C}{}_6$

**优点:**能量密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低。

**挑战:**钴资源稀缺、热失控风险、废旧电池回收。

燃料电池

燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能,不经过燃烧过程,理论效率高。

氢氧燃料电池

参见原电池中燃料电池部分。

碱性电解质:

$\text{负极:}\mathrm{H}{}_2+2\mathrm{OH}{}^{-}\to 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+2\mathrm{e}{}^{-}$

$\text{正极:}\mathrm{O}{}_2+2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+4\mathrm{e}{}^{-}\to 4\mathrm{OH}{}^{-}$

$\text{总反应:}2\mathrm{H}{}_2+\mathrm{O}{}_2\to 2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

质子交换膜燃料电池（PEMFC）:

使用固体聚合物膜（Nafion 膜）传导 $\mathrm{H}{}^{+}$,工作温度低（$80{}^{\circ }\mathrm{C}$），适合汽车应用。

甲醇燃料电池

$\text{总反应:}2\mathrm{CH}{}_3\mathrm{OH}+3\mathrm{O}{}_2\to 2\mathrm{CO}{}_2+4\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}$

甲醇作为液体燃料,便于储存和运输。

太阳能电池

硅基太阳能电池

利用半导体硅的光伏效应,将光能转化为电能。

• 单晶硅:效率 $>25\%$,成本高
• 多晶硅:效率 $>20\%$,性价比高
• 薄膜硅:效率较低,但柔性好

钙钛矿太阳能电池

新型太阳能电池,使用 $\mathrm{CH}{}_3\mathrm{NH}{}_3\mathrm{PbI}{}_3$ 等钙钛矿结构材料,效率快速增长（已超过 $25\%$）,成本低,但稳定性有待提高。

氢能

氢气是理想的清洁燃料,参见氢元素。

制氢方法:

方法	反应	特点
天然气重整	$\mathrm{CH}{}_4+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{CO}+3\mathrm{H}{}_2$	成本低,排放 $\mathrm{CO}{}_2$
电解水	$2\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to 2\mathrm{H}{}_2+\mathrm{O}{}_2$	清洁,但耗能高
光催化分解水	利用太阳能	理想但效率低
生物制氢	微生物发酵	可再生,产量低

储氢方法:

方法	说明	挑战
高压气态储氢	$70\mathrm{MPa}$ 压缩	安全性、容器重量
液态储氢	$-253{}^{\circ }\mathrm{C}$ 液化	耗能大、蒸发损失
金属氢化物	$\mathrm{LaNi}{}_5\mathrm{H}{}_6$、$\mathrm{MgH}{}_2$	重量大、吸放氢温度高
化学储氢	有机液态储氢	技术复杂

能量密度对比

能源	质量能量密度 $/\mathrm{MJ}\cdot \mathrm{k}{\mathrm{g}}^{-1}$
氢气	$142$
甲烷	$55$
汽油	$46$
锂离子电池	$0.3\sim 0.9$
铅蓄电池	$0.1\sim 0.2$

引出

为什么电解水制氢目前不是主流?

固态电池和液态锂离子电池有什么区别?

核聚变何时能成为实用能源?

参考:原电池、氢元素、环境保护与绿色化学