太阳能关键问题与可再生能源

随着人口增长和工业化进程，全球能源需求也在持续增长。经济、政治和环境问题在很大程度上由能源需求决定。第五届国际电化学学会（ECS）电化学能源峰会（E2S）旨在推动顶尖政策制定者与能源专家就社会需求和技术能源解决方案进行交流。
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E2S 议程聚焦太阳能关键议题与可再生能源。峰会于 2015 年 10 月 12 日（周一）举行，持续至 10 月 14 日（周三）。周一的议程聚焦美国能源部（DOE）能源枢纽，包括全体大会以及来自储能研究联合中心（JCESR）、人工光合联合中心（JCAP）和能效与可再生能源燃料电池技术办公室（EERE FCTO）的邀请报告。周二和周三的议程包括五位能源前沿研究中心（EFRC）主任的主旨报告、相关邀请嘉宾报告以及圆桌讨论。
富兰克林（林恩）·M·奥尔博士（Dr. Franklin (Lynn) M. Orr）于 2014 年 12 月 17 日宣誓就任主管科学与能源的副部长。
作为副部长，奥尔博士是能源部长和副部长在清洁能源技术以及科学与能源研究计划方面的首席顾问。他负责监管美国能源部的电力交付与能源可靠性办公室、能效与可再生能源办公室、化石能源办公室、印第安人能源政策与项目办公室、核能办公室和科学办公室。总体而言，这些项目管辖着美国能源部绝大多数国家实验室。
FIRST 中心已进入运行的第六年，其总体目标是建立对流固界面独特纳米尺度环境的基础性认识和经过验证的预测模型，从而推动电能存储和电催化领域的变革性进展。
为实现这一目标，我们整合了新型基底与电解质的合成及表征、先进透射电子显微镜（TEM）与扫描探针显微镜（SPM）、中子散射和 X 射线散射，以及从量子蒙特卡洛到经典密度泛函理论方法的多尺度计算建模。所研究的电解质包括水系、极性有机溶剂和室温离子液体（RTILs），其成本与电化学稳定性依次升高、粘度依次降低，这些因素在器件性能中相互竞争。
我们近期的工作聚焦于预测从微型器件到电网规模应用中用于电容式和赝电容式电能存储的界面体系的功能。
东北化学储能中心（NECCES）的使命是理解关键电极反应如何发生，以及如何在电池运行的整个寿命周期内、从原子尺度到宏观尺度对其进行调控以提升电化学性能。
电池内部发生的过程十分复杂，跨越广泛的时间与空间尺度。由实验学者和理论学者组成的团队将利用并开发新的方法学，实时确定模型化合物电极在电池循环过程中的工作机制。
NECCES 的具体目标是：缩小嵌入化合物实际能量密度与理论能量密度之间的差距，在用锂实现的正极材料中获得可逆的多电子转移，并理解正极结构中从局部、介观到宏观尺度限制性能的传输问题。
NEES 中心致力于理解纳米结构（尤其是致密介观构造中的纳米结构）用于能源存储时的电化学行为：如何精确控制纳米结构的多种组分；如何将其致密堆积并连接以优化性能；它们在充放电过程中单体和整体的行为如何、原因为何；以及如何在数千次充电循环中保持其安全与持久。
凭借在创制和表征精确多组分（非均相）纳米结构方面既往取得的成就，NEES 目前聚焦四个方向：（1）理解并控制储能纳米结构中的界面；（2）揭示纳米结构致密组装带来的新介观挑战，以及这些构造与电化学性能和衰减之间的关联；（3）辨识伴随储能纳米结构与架构出现的基本衰减机制；（4）推进三维纳米结构固态储能构型的合成与表征。
需要理解底层的离子与电子传导现象，以进一步改进储能系统，从而弥合理论值与可实现值之间的差距。
储能系统运行期间，离子和电子在多个尺寸域内传输，这些过程的叠加导致复杂的物理现象。需要探索局部传导与传输现象，涵盖从分子、纳米到介观尺度的研究。
m2M 中心的愿景是使电能存储器件的热损耗最小化、输出功最大化。该中心将通过理解并最终调控复杂电池体系中跨越多个长度尺度的传输特性来实现这一目标。目前正研究来自多个家族的氧化还原活性材料，包括一维、二维和三维结构。此外，电极环境以及电池体系对电化学性能的影响也是关键考量因素。
CEES 致力于通过对三类化学体系（聚焦模型材料）的协同研究，建立对锂离子电池体系中氧化物锂离子电化学的基础性认识：锂离子嵌入反应、锂离子转化反应以及 Li-O2/锂离子混合反应。
这些研究的一大主题是界面在这些反应中的作用，我还将总结近期工作——我们利用基于 X 射线的方法（如 X 射线反射率）分离并理解这些体系中界面反应性的作用。
JCAP 正在开创革命性的交通燃料合成方法，仅通过结合地球上最丰富的三种资源：二氧化碳、水和阳光。
目标是利用选择性强、效率高的化学路径，生成热值等于或高于甲醇的液态烃或醇类燃料产品。
太阳能燃料生产的核心重大挑战是可控催化。过去五年间，JCAP 在太阳能驱动的水催化制氢方面取得了重大进展——但迄今仍没有任何已知的催化剂（无论是电化学还是光电化学催化剂）能够在温和条件下以高效率和选择性还原二氧化碳。
为应对二氧化碳还原挑战，JCAP 的工作沿四个方向展开：基础电催化机制与材料的实验及理论发现、光催化剂与光吸收体的实验及理论发现、系统集成以及试验平台原型研制。
储能研究联合中心（JCESR）旨在通过一种融合发现科学、电池设计、研究原型与制造协作的新型研究范式，建立下一代电力存储技术。
JCESR 专门聚焦超越锂离子电池技术的电池。其愿景是以高性能、低成本的电力存储变革交通与电网，支撑电动汽车的普及部署、风电和光伏电力的广泛渗透，并打破将瞬时发电与瞬时用电相匹配这一延续百年的约束。其使命是交付两个原型，一个用于交通、一个用于电网，在放大到制造规模时，其能量密度可达 2012 年中心启动时可用商用电池的五倍，成本仅为其五分之一。
JCESR 旨在留下三项遗产：一个关于原子与分子尺度储能材料与现象的基础科学知识库；两个原型——一个用于交通、一个用于电网——在放大到制造规模时能够满足 JCESR 极具挑战性的性能与成本目标；以及一种整合发现科学、电池设计、研究原型与制造协作的电池研发新范式。
ECS 为人们提供了展示科学贡献的机会；也让人们能与朋友分享基于科学的观点。
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