隨著世界對化石燃料和不可再生能源的依賴在當今更加綠色的社會中不斷減少，我們看到了向各種形式的可再生能源的更高使用率的轉變。然而，可再生能源的限制因素之一是儲存這種能量的能力，這就是電動汽車需要很長時間才能進入市場的原因。手機和筆記本電腦等便攜式技術也是如此，這些技術的主要賣點之一是電池壽命。歸根結底，電池壽命是指電池在需要使用之前有效儲存能量的能力。

儲能的基本原理，以及近年來出現的任何進步，都是由于各種化學相互作用和原理。應該注意的是，這些化學反應與大多數與化學有關的反應不同——即獲取一個分子并將其與另一個分子反應以產生不同的分子。相反，這些原理是基于電化學的，它涉及離子電荷的變化以促進電子運動，并包括諸如離子和電子遷移機制、固態晶格中空穴的利用以及電化學半反應等機制其他。在這里，我們詳細介紹了一些常見的儲能設備如何依靠化學來有效發揮作用。

電容器

電容器是最古老的能量儲存設備之一，它通過在電場中儲存勢能來實現。電容器利用稱為電容的現象工作，電容是電荷相對于電勢變化的變化。有許多不同類型的電容器，所有這些電容器的機制都略有不同，但標準電容器具有兩個導電區域，由非導電介電板或真空隔開。

在電容器中，當來自另一個組件、設備或其他電源的電荷導致電荷出現在其中一個導體中時，將對另一個導體內的電荷載流子施加力。這導致電荷載流子吸引帶相反電荷的物質，同時將相同電荷排斥到另一個導體，這導致兩個導體表面之間的電荷分離。因為兩個導體具有等量的電荷，所以分隔兩個導體的電介質區域產生電場。

能量可以存儲在電容器內，因為導體區域靠得很近。這個短距離導致電荷在存在電場的情況下相互吸引。然后，通過做大量功將極板移動到一起，電容器能夠為定義的電壓存儲大量電能。隨著板之間的距離減小，完成的工作量呈指數增加。

電池

當今使用的電池有很多種——從鋁基電池到各種類型的鋰電池（鋰空氣、鋰金屬等）和氧化還原液流電池。鑒于這里的重點是儲能，因此重點是可充電鋰離子電池，因為它們的應用如此廣泛，而氧化還原液流電池則因為它們用于更大規模的儲能應用。

鋰離子

鋰離子電池在充電時儲存能量，并在放電時緩慢釋放能量——即，當裝有電池的設備打開時。為了儲存能量，這些電池會通過陰極的還原反應進行充電。這種還原反應導致來自外部來源（例如電源）的電子與鋰離子結合。然后，這會導致離子在陽極內遷移和嵌入；于是，能量基本上以鋰離子內束縛電子的形式儲存。當用戶打開設備時，電池將通過氧化反應進行放電過程。放電過程將鋰離子移動到陰極并釋放電子，從而產生可用電流。如果電池不執行這些機制中的任何一個，

氧化還原流

氧化還原液流電池更多地設計用于大容量儲能。盡管氧化還原液流電池可以與各種過渡金屬離子一起使用，但它們最常與鐵、釩和鋅一起使用。氧化還原液流電池與鋰離子系統有很大不同。主要區別之一是電化學過程涉及兩種溶劑系統。這些溶劑系統中的每一個都有溶解在溶劑中的活性成分——通常是金屬鹽。這種溶解可以采取活性成分部分或完全溶解的形式。

電解質溶液通常保存在單獨的外部罐中。溶液在通過電極時被泵送到系統周圍，但通過離子分離膜彼此分開。兩個電極之間的離子交換機制產生電勢并發電。之所以將它們用于更大規模的儲能應用，是因為在這些儲罐中儲存能量的能力比傳統電池大得多。

在這些系統中，電化學反應和能量儲存發生在電解質內而不是電極內，并且依賴于電化學半反應。放電時，陽極側發生氧化反應。該反應釋放一個電子，然后該電子行進到電池的陰極側，在那里通過還原反應被接受。充電機制原理相同，只是電流方向和電化學反應方向相反。整個系統通過交換帶正電荷的氫離子來保持電荷中性。

儲氫

與此處詳述的其他方法相比，最近才實現了氫儲存，但它是電動汽車 (EV) 發展的一個重要領域。氫儲存用途廣泛，在這種情況下作為能源的氫離子可以多種氣態、液態和固態形式儲存。氫的物理儲存很容易理解，其形式為壓縮氫氣、儲存在罐中的液態氫以及冷卻至低溫條件然后壓縮的氫。

然而，有許多不同類型的固體形式的氫儲存，它們利用有機和材料化學的原理來安全地儲存氫。在這些存儲機制中的每一個中，氫將被存儲，直到刺激（例如熱量）導致存儲介質的化學性質發生變化并釋放氫。

在固體材料中儲存氫有兩種常見的方法：

第一種方法是通過固體表面的化學吸附——例如金屬有機骨架 (MOF)。

第二種方法是通過間隙遷移到固體晶格中。該方法也從吸附在固體表面的氫分子開始。然后氫分子分解成氫原子并存儲在固態晶格的孔中。

儲存氫氣的最終方法——同樣在很大程度上依賴于化學反應——是通過化學反應。

第一種方法是通過與金屬反應形成金屬氫化物。在這種類型的化學反應中，氫成為金屬離子之間的間隙離子。

第二種方法是通過與對氫吸收具有高親和力的化合物（例如咔唑衍生物和甲苯）進行液體有機反應。

第三種方法是通過含氫材料與水或其他富氧溶劑反應。在這種類型的化學反應中，氫儲存在材料和溶劑中。

結論

總的來說，有許多方法可以儲存能量，但在許多情況下，所使用的能量儲存設備的類型取決于預期的應用。然而，無論應用如何，每個儲能設備都依賴于高效的電化學機制，不僅可以遷移任何相關的離子和電子，還可以在需要時儲存能量。因此，化學是任何儲能應用的核心。