能源储存是我们能源系统的重要组成部分。可用于储存能量的三种技术设备是电池、超级电容器和燃料电池。那么，这三者之间有什么区别呢?在这里，我们将仔细研究它们是如何工作的，以及它们通常是如何和在哪里使用的。
能源系统包括初级能源，如化石燃料、生物质能、核燃料矿石、高海拔水坝和湖泊中的水、地热能等。能源系统还包含不同规模和能量规模的各种转换、运输和利用步骤。
一次能源本身也可以是一个储能元件。例如，煤和天然气都是一次能源，同时也储存着其中所含的能量。高海拔大坝中的水以势能的形式储存能量，在涡轮机中转化为电能。因此，储存的能量可以从一种类型的能量转换为另一种类型的能量，如势能转换为电能。化学能，例如化石燃料或生物燃料，可以在车辆的内燃机中转化为热能或机械能，或在发电站中转化为电能。
在能源系统中，这些大规模的一次能源和储存形式，以及各种能源之间的转换，与中小规模的转换和储存相辅相成。后者通常利用各种技术设备，如汽车中的内燃机。有三种这样的设备，我们想在这里仔细看看电池，燃料电池而且超级电容器。
电池是一种电化学设备，每个电池单元由两个电极和电极之间的电解质组成。在应用中，电极连接到外部电路。
以经典铅酸蓄电池为例说明了其功能原理。在充电电池中，负极是纯铅金属，正极是氧化铅PbO，电解液是硫酸。当外部负载连接到充电电池上时，电池通过电化学反应产生电流，负极上的金属铅和正极上的PbO都转化为硫酸铅，PbSO4，水是副产物。由于硫从电解液中消耗，硫酸在放电过程中被电极反应中产生的水稀释，反之亦然。在充电过程中，这些反应是相反的。
对于充电电池，与放电电池的PbSO4相比，电极上的Pb和PbO代表能量丰富的化合物。储存在带电电池电极中的化学能在放电过程中通过电解液中的电子和离子的参与转化为电能。
在锂离子电池中，过程类似，但这里锂离子在两个电极之间移动并被存储，(通常)作为插层化合物。
电池可以是可充电的(就像刚才提到的)，也可以是不可充电的，即一次性的。它们的大小各不相同，从用于卡车或固定备份系统的大型重型设备，到用于(微型)电子设备的极小型设备。常见的移动应用程序在车辆中用于启动内燃机、笔记本电脑、智能手机以及基本上所有类型的便携式电子设备。固定用途包括备用系统，以防电力故障。
能量密度(单位质量的能量)仍然比汽油等普通燃料小得多。可充电电池最终会损耗并失去容量。它们的电力输送能力比超级电容器更有限。
与电池类似，超级电容器的电极之间也有电解质。然而，电能存储的主要原理是电荷分离，而不是像电池那样，在充电/放电过程中必须进行化学反应的化学能。
在超级电容器中，能量存储在双层电层中，其中电荷分离的距离非常小，可低至原子距离。这样做的一个后果是，放电(电源)比电池快得多。从实用的角度来看，这些电容器可以被视为电池的补充或替代品。更快的动作(功率)是超级电容器区别于电池的主要特征。与锂离子电池相比，超级电容器每单位质量的功率可以提高一个数量级以上。对于能量密度，即每单位质量的电能储存，关系是相反的。
例如，超级电容器可以在汽车中用于动态断裂，即使用断裂来驱动为超级电容器(或电池)充电的发电机。它每单位质量或体积储存的能量通常是电解电容器的10到100倍，可以比电池更快地接受和交付充电，并且比可充电电池承受更多的充放电循环。因此，超级电容器被用于需要许多快速充放电循环的应用，而不是长期的紧凑储能——在汽车、公共汽车、火车、起重机和电梯中，短期储能或突发模式电力输送。
就像电池和超级电容器一样，燃料电池也由阳极和阴极组成，它们之间还有电解质。
在燃料电池的电极上发生氧化还原反应产生电流。最常见的燃料电池是氢燃料电池。
在阳极上，从外部电源馈送到阳极的氢分子解离到阳极上沉积的催化材料(昂贵的贵金属Pt)上的质子和电子，质子通过电解质向阴极移动，在最常见的情况下是a聚合物电解质膜(质子交换膜燃料电池)。电子在外部电路中移动，从而产生电流，最终到达阴极。在阴极质子处，游离氧分子中的氧原子和电子结合形成水。
阴极也要求有合适的催化剂在那里的反应(氧还原反应，ORR)。氧气(空气)从外部供应到阴极。因此，燃料电池通过使用能量丰富的氢分子来产生电流，即将化学能转化为电能。需要注意的是，燃料电池与其燃料箱和氧气供应一起构成了能量存储系统，而不是单独的燃料电池。
与电池或超级电容器相反，燃料电池永远不会放电，但只要供应(氢)燃料和氧气，就会产生电流和电压。“充电”燃料电池系统包括将燃料(如氢气)填充到油箱中。
近几十年来，燃料电池在电动/混合动力汽车中越来越受欢迎。它们也受到当前开发项目的高度关注，用于小规模固定应用(甚至在私人住宅中)，以存储从过剩供应到低供应时间的太阳能电力。在这里，氢气是通过电解产生的(基本上是通过让燃料电池向后运行)，并在白天使用太阳能电池的过剩电力储存起来。在黑夜里，燃料电池利用储存的氢气发电。目前一些开发项目的目标是更长的储存时间，储存夏季产生的氢气，在冬季发电。
燃料电池的一个缺点是需要在阳极上使用昂贵的贵金属催化剂。这可以通过使用陶瓷电解质材料在高温下运行燃料电池来减少或消除，即所谓的SOFC，固体氧化物燃料电池。
有趣的是，几乎所有电池、超级电容器和燃料电池的关键过程都是发生在电极表面的表面过程。密集的研发正在弥补这些设备目前的弱点，例如提高能量密度(单位质量和体积的能量)和功率密度(电池和超级电容器)，寻找昂贵(燃料电池中的铂)或有限供应(电池中的锂)材料的替代品，增加充放电循环次数(电池和超级电容器)，以及制造比氢燃料更复杂的燃料电池
一般来说，这些设备、电池、超级电容器和燃料电池构成了一套技术和设备，将成为未来大规模和小规模可持续能源系统的一部分。电池可能会更便宜、更高效(通过新的设计和材料获得更高的能量密度，超级电容器将更快、获得更高的容量(单位质量的能量)，燃料电池将更有吸引力，因为它们将用更便宜的催化剂取代铂，并用其他燃料(而不是氢)提高它们的性能。
在我们的播客中了解更多关于能量存储的表面科学，表面上的科学——从更大的角度看小事。
Bengt Kasemo于1996年担任Q-Sense AB的联合创始人之一，并在Q-Sense和Biolin Scientific AB的董事会任职数年。雷竞技苹果版本雷竞技rayappKasemo教授的研究项目主要集中在表面科学、生物界面、生物材料、催化、纳米技术、传感器和科学仪器、纳米毒理学和纳米安全，以及可持续能源。
