chapter 02 化学电源.ppt

1 2 一 化学电源概论 1 1化学电源的分类 定义 通过自发的化学反应将化学能直接转变为电能的装置 化学电源 化学能 电能 3 1 2 化学电源的发展历史 公元前3世纪 巴格达电池Baghdadbattery 1836年 丹尼尔电池Daniellbattery 1888年 Gassner发明锌锰干电池 1800年 伏打电堆 VoltaicPiles 4 1895年 镍镉电池 Junger Nickel cadmiumbattery 1976年 镍氢电池Nickelhydrogenbattery 1990年 锂离子电池Li ionbattery 1859年 可充电铅酸电池Leadacidbattery 5 目前 燃料电池的研发及商业应用快速进行中 Fuelcell 6 1 3化学电源的组成 电极 电解质 隔膜和外壳 7 正 负极 由活性物质 导电剂 金属粉 碳粉 粘结剂 添加剂 如缓蚀剂等 及集流体构成 电极 核心部件 电极活性物质选择 电负性 正极电负性越大越好 负极电负性越小越好 碱金属电负性最小为最理想的负极活性物质 而卤素为最理想的正极活性物质 原子量和密度 质量比容量和体积比容量电极反应的极化率化学稳定性电子导电性 8 电解质 水溶液电解质 有机电解质 熔融盐电解质 固体电解质选择电解质需要考虑的问题 1 工作温度2 离子导电率3 化学及电化学稳定性好 隔膜 防止正负极物质直接反应 允许离子通过 石棉 玻璃毡 微孔聚丙烯 聚乙烯等要求 极低的电子导电能力 高的离子传输能力 较好的化学稳定性及机械强度外壳 具有一定机械强度和力学性能 耐蚀 9 1 3化学电源的工作原理 原理 平衡电动势 当时 存在极化 活化极化 电极反应需要活化能 浓差极化 离子扩散 电阻极化 电解液 电极 隔膜 接触层等处的电阻引起的 10 1 4化学电源的主要参数 电池电动势理论电压 由电池反应吉布斯自由能变确定 2 开路电压 工作电压开路电压 没有通电时电池的两电极之间的电压 小于电池电动势 额定电压 标称电压 开路电压的最低值 工作电压 有电流通过时电池的端电压 又称放电电压和闭路电压 11 3 内阻包括欧姆电阻R 和Rf极化电阻 欧姆电阻 电极材料 电解液 隔膜及各部分零件接触电阻构成缩短正负极间的距离 增加隔膜离子导电能力 使用具有高电导率的电解液并降低电池的固相电阻 极化电阻 电极极化引起的内阻 电极做成多孔电极以提高电极的表面积 选择具有高交换电流密度的活性物质 12 4 放电曲线 恒流放电和恒阻放电 放电曲线越平坦性能越好 终止电压 工作电压下降到不宜进行继续放电的电压 13 5 放电率 电池的放电速率包括放电时率和放电倍率 时率 以一定的放电电流放完额定容量C所需的小时数如电池容量为30Ah 以3A电流放电 则时率为30Ah 3A 10h 称为10小时率放电 以C 10表示 倍率 指电池在规定时间内 放出其额定容量时所输出的电流值 数值上为额定容量的倍数 如电池容量为30Ah 在5小时内放出其额定容量 则倍率为30Ah 5h 6A 称为0 2C倍率 C表示额定容量的数值 14 6 容量与比容量在一定放电条件下 可从电池获得的电量 称为容量 以Q表示 单位为A h 或mA h 理论容量 C0 C0 nF m0 M 单位 As或C 26 8nm0 M 单位 Ah m0 q 单位 Ah 式中n为反应得失电子数 m0为活性物质完全反应的质量 M为活性物质的摩尔质量 q为活性物质的电化学当量 Ah g q M 26 8n 实际容量 C 恒流时 C It 15 为了比较不同电池的性能 引入比容量 比容量 指单位质量或单位体积的电池所能给出的电量 单位 Ah kg 单位 Ah L 一般说电池的容量指其中一个电极的容量 生产中通常用正极容量控制整个电池的容量 16 7 能量与比能量能量 指电池在一定的放电条件下对外做功所输出的电能 单位为Wh 理论能量W0 电池可逆放电时对外输出的能量 W0 C0 E nFE 实际能量 电池放电时实际输出的能量 电池端电压 实际容量 比能量 单位重量或单位体积的电池所给出的能量 也称重量比能量 Wh kg 或体积比能量 Wh L 举例说明 17 18 8 功率与比功率电池的功率P 指电池在一定的放电条件下 单位时间内电池输出的电能 单位W或kW 比功率为单位质量或体积电池所输出的功率 单位W kg或W L 理论功率P0 实际功率 高倍率放电时 电池功率大 比能量小 反之 放电倍率小 电池的功率密度小 比能量大 19 9 储存性能 主要是对于一次电池来说 指电池在储存期间容量的下降率 容量下降的原因 电极在电解质溶液中处于热力学不稳定状态 各自发生了氧化还原反应 即发生自放电现象 如锌电极中的铁杂质加速锌电极自放电 阳极反应 Zn Zn2 2e微阴极反应 铁杂质上 2H 2e H2 自放电大小 可以用自放电率表示 即单位时间内容量降低的百分数 20 10 循环寿命 二次电池 在一定的放电条件下 电池容量降到某一规定值前所经历的充放电次数 21 二 水溶液电池体系 一 特点与不足 水的溶解能力强 粘度低 可得到较高的溶液电导 原料易得 价廉 电位窗口窄 2V 不能实现高比能量 使用温度范围窄 特别不适用于高温 二 类型1 一次电池 Zn MnO2干电池 碱性Zn MnO2电池 Zn Air2 二次电池 铅酸电池 Cd Ni MH Ni 22 三 锌锰干电池 1 电池结构 Zn NH4Cl ZnCl2 MnO2 C 电解液 20 NH4Cl 10 ZnCl2的水溶液 PH 5 淀粉糊或浆层纸作为隔膜层 负极集流体 Zn 正极集流体 石墨2 工作原理 23 3 电池性能 开路电压为1 6V左右 额定电压为1 5V 理论比能量为233Wh kg 实际比能量为60Wh kg 缺点 比能量低 大电流放电性能差 贮存性能差 自放电率约30 年 24 四 碱性锌锰干电池 Zn 汞齐化 NaOH或KOH 30 40 水溶液 ZnO MnO2 C 负极为汞齐化的锌粉末 碱液具有较高的电导率 负极反应 Zn 2OH ZnO H2O 2e正极反应 2MnO2 2H2O 2e 2MnOOH 2OH 总反应 Zn 2MnO2 2H2O Zn OH 2 MnO OH 开路电压约1 52V 工作电压约1 25V 是锌锰干电池的换代产品 大电流放电能力强 比能量高且贮存性能好 4年后 仍保持80 以上容量 25 五 锌汞电池和银锌电池 1 锌汞电池 正极活性材料 HgO和Hg 负极活性材料 含汞量很少的锌 汞合金 电解质溶液 30 40 KOH浓溶液 负极反应 Zn 2OH ZnO H2O 2e正极反应 HgO H2O 2e Hg 2OH 电池反应 HgO Zn Hg ZnO比能量高 放电电压平稳 储存性能好 自放电小但低温放电性能差 不适合重负荷放电 价格昂贵 Zn Hg NaOH ZnO HgO Hg 26 2 银锌电池 正极活性材料 Ag2O和少量石墨粉 负极活性材料 含汞量很少的锌 汞合金 电解质溶液 30 40 KOH浓溶液 负极 Zn 2OH 2e Zn OH 2正极 Ag2O H2O 2e 2Ag 2OH 总反应 Zn Ag2O H2O Zn OH 2 2Ag高能电池 质量轻 体积小 放电电压平稳 低温放电性能好也差 27 六 锌空气电池 空气电池 活泼金属 空气 负极反应 2Zn 4OH 2ZnO 2H2O 4e正极反应 O2 2H2O 4e 4OH 电池反应 O2 2Zn 2ZnO正极反应慢 要加催化剂 比能量高 1000Wh kg 造价低 但贮存寿命短 Zn Hg KOH O2 石墨 28 七 铅酸电池 1 电池结构 Pb H2SO4 PbO2 正极活性物质 PbO2负极活性物质 海绵Pb电解质溶液 H2SO4 1 25 1 28g cm3 溶液电极集流体 铅栅 29 2 电池反应原理 cathode PbO2 4H SO42 2e2H2O PbSO4 anode Pb SO42 PbSO4 2e 总反应 PbO2 Pb 4H SO42 2H2O 2PbSO4 30 3 铅酸蓄电池性能 电池的电动势为2 045V开路电压 液 0 84额定电压2 0V放电特性 M点 终了电压 1 8V电压降低的快慢与放电率有关 31 充电特性 充电终止电压 2 7V 10小时率 终止电压与充电率有关 常用10小时率 32 容量 效率与寿命 容量 20 40Wh kg效率 分为容量效率和电能效率 70 80 寿命 容量降低至额定值的70 80 时 不再使用铅蓄电池循环寿命 200 400次 期限3 10年原因 活性物质脱落和收缩 大电流放电等 充放电可逆性好 电压稳定 价格低 技术成熟 缺点是笨重 汽车启动电源 33 八 镍镉电池 34 特点 充放电时 电解液变化不大 高率放电 放电电压平衡 循环寿命长 1000 2000次 易维护 深放电性能好 不足 电压较低 工作电压为1 25V 存在记忆效应 对环境不友好 电极的集流体结构特点 35 九 镍氢电池 Ni MH MHx KOH NiOOH 正极 烧结的NiOOH负极 金属氢化物电解质 6mol L的KOH溶液 特点 比能量高 为Ni Cd电池的1 5倍 2倍 无污染 无记忆效应 循环寿命长 主要用于便携式电子产品 36 电池原理 正极 NiOOH H2O eNi OH 2 OH 负极 1 xMHx OH 1 xM H2O e总反应 NiOOH 1 xMHxNi OH 2 1 xM 37 负极电极材料特点 1 分类稀土 钛 锆 钨 镁系列的多元合金实用有两大系列 a Ti Ni系列 如Ti16Ni39V22Zr16Gr7特点 电极容量高 最高可达360mAh g自放电较大大电流放电能力较差 38 b 稀土系列已进入实用化的主要有三种 LaNi5系 MmNi5系 日本松下电池公司 MmNi5是利用富铈混合稀土Mm替代LaNi5中的La而得到的金属间化合物 39 2 贮氢材料的制备冶炼法生产 按组分配料 然后将配好的材料投入真空电弧炉中 在氬气氛的保护下熔炼成合金 经几次反复熔炼结晶过程来调整配比除去杂质 制得所需要的贮氢合金材料 其它方法 化学合成法包括共沉淀还原法 水解还原法 置换扩散法等 40 贮氢材料要求 1 在碱性电解液中具有良好的化学稳定性 2 贮氢量大 3 具有良好的耐电化学氧化的能力 4 对氢的氧化反应有良好的电催化能力 5 充放电吸氢放氢时极化较小 41 氢化物电极的充放电过程 a 电荷的迁移反应M H2O eM Had OH b 氢在贮氢材料中的溶解 扩散及化学反应M yHadM yHdissolutionM yHdissolutionMHy c 金属氢化物的相变过程 x y H MHyMHx总的电极反应则可表示为 M xH2O xeMHx xOH 42 MH Ni电池性能 mAh g MHx的理论容量为 43 MH Ni电池与Cd Ni电池性能比较 A 耐过充过放过充电 镍电极上析出的氧气可在氢化物电极上被还原成水过放电 在镍电极析出的氢气则可被氢化物电极吸收B 容量和比能量提高1 5 2倍电池寿命相当长 C 大电流放电性能差 自放电较大 44 三 有机溶液电池体系 一 特点 电位窗口宽 5V 可形成高比能量电池体系 可以使用电位低 电化学当量高的活泼金属 如Li Na等 易燃 安全性能差 溶液电导率低 10 3s cm 是水溶液体系的1 200 1 500 45 二 有机电解质的要求 有机溶剂对锂电极应是惰性的 在正常使用范围内无化学和电化学反应 避免使用含有活泼氢原子的有机酸 醇 醛 胺 酰胺等有机溶剂 有机溶剂具有较高的介电常数及较小的粘度 以提高离子电导 有机溶剂应具有沸点低 熔点低 挥发性小 溶质在有机溶剂中溶解度高 容易离解 一般来说 大阳离子锂盐 如ClO4 BF4 PF6 等 46 三 锂电池 锂电池是指用金属锂作为负极活性物质的电池的总称锂的原子量 6 94 标准电极电势 3 045V 特点 能量密度大 3800mAh g 电压高 放电电压平稳 工作温度范围宽 低温性能好 贮存寿命长等优点 锂电池采用有机溶剂作为电解液 由于金属锂电极在反复沉积 析出过程中易生长枝晶 可充性较差 因此目前实际锂电池体系都为一次锂电池 47 1 Li MnO2锂电池 负极 Li e Li 正极 MnO2 Li e MnOOLi电池反应 MnO2 Li MnOOLi在正极反应中 锂离子进入MnO2的晶格中 其作用如同水溶液中质子行为 48 组成 负极 锂片正极 经热处理的电解二氧化锰粉粉末式 MnO2粉 碳粉 合成树脂粘合剂的混合物 加压成型涂膏式 MnO2粉 碳粉 粘合剂调成膏状涂于集电体上 进行热处理形成薄式电极电解液 碳酸丙烯酯和乙二酵二甲醚 也称二甲氧基乙烷 的混合溶剂 混合比为1 1 溶质为LiClO4 其浓度为1mol L 49 开路电压约为3 5V 工作电压2 9V 约为锌锰干电池的2倍 比能量250wh kg 500wh L 以上 约为铅酸电池的5 7倍 工作温度范围 20 50 贮存性能良好 自放电小 贮存年容量下降7 8 贮存和放电过程中无气体析出 安全性 资源丰富 价格便宜 热处理工艺简单 适合于大量生产 Li MnO2电池的性能 50 四 锂离子电池 1 电池结构 负极 传统材料为金属锂或锂合金 现在用碳材料取代 用金属铜作为集流体正极 长用LixCoO2 也用LixNiO2和LixMnO2 用金属Al作为集流体 电解质 常用LiPF6 EC 二乙烯碳酸酯 DMC 二甲基碳酸酯 或聚合物电解质 51 正极 LiCoO2 Li1 xCoO2 xLi xe负极 6C xLi xe C6Lix电池反应 LiCoO2 6C C6Lix Li1 xCoO2 2 电池反应原理 52 1 电压高 工作电压范围 4 2 2 75V 平均工作电压 3 6 3 7V 2 比能量高 重量比能量可达140 160Wh Kg以上 3 循环寿命长 可达1000次以上 自放电率低 8 月 4 与环境友好 5 技术发展潜力大 1991年 80Wh Kg 2001年 140 160Wh Kg 甚至可达190Wh Kg 3 电池性能及特点 53 54 1993 2008年全球各类二次电池的市场份额统计和预测 55 4 锂离子电池的发展 动力电池 LiFePO4新型正极材料为发展锂离子动力电池的新方向 56 LiFePO4具有3 5V的电压平台 理论容量为170mAh g 材料结构的动力学和热力学稳定性很高 1 优异的安全性能 2 优异的循环稳定性 8000次高倍率充放电循环 不存在安全问题 3 适于大电流放电 温度越高材料的比容量越大 4 成本低 环保 57 四 固体电解质电池体系 一 固体电解质概述一般是在远低于熔点温度下便具有导电性的结晶固体 它的电子导电性通常远小于离子导电性 导电是依赖离子在固体中的迁移 1 特点 贮存寿命长 采用固体电解质 电池的电子导电性很低 在电极活性物质与电解质之间没有严重腐蚀反应 不存在自放电现象 工作温度范围广 而水溶液受其沸点及冰点的限制 固体电解质能耐强烈振动 冲击 旋转等特殊要求 并且没有腐蚀液体 不会产生漏液和腐蚀危险 可满足电池的微型化 缺点 内阻较大 特别是接触电阻更大 使电池的比能量 比功率较低 58 2 分类 常温固体电解质电池 Ag RbAg4I5 RbI3 C 中温固体电解质电池 Al2O3的Na S电池 300 400 高温固体电解质电池 ZrO2的高温燃料电池 1000 二 常温固体电解质体系 锂碘电池 1 电池 Li LiI 聚二乙烯吡啶 P2VP 与碘的络合物2 电解质 当两电极直接紧密接触自然产生固体电解质LiI层 其厚度为1 m 3 电池基本特性 电池开路电压为2 8V 电池放电过程中组分总体积无大变化 没有气涨 短路或隔膜破裂等问题 提高了电池的安全性 59 电池内阻主要来自电解质的电阻 而且它随放电过程的延续而增大 工作电压随LiI层的厚度增加而下降 自放电小 10 10年 电池具有密封性好 可靠性高 长寿命等优点 因此 常用于心脏起博器电源 三 中温固体电解质电池 Na S电池 略 60 五 熔盐电解质电池体系 一 LiAl FeS2体系 高温熔盐体系 1 电池反应2LiAl FeS2 Li2S FeS 2Al2LiAl FeS2 Li2S FeS 2Al 2 电池结构负极 由于电池工作温度较高 400 500 而Li的熔点只有186 因而采用熔点高又保持了锂的电化学性质的Li Al合金 正极 FeS2隔膜 大多采用氮化硼毡 Y2O3石棉纸和Y2O3毡 这种隔膜既起隔离正负极的作用 又保持适量的电解质 电解质 LiCl KCl 400 500 比电导较高 比水溶液高10 100倍 且没有溶剂化作用 61 3 基本特性 开始电压1 77V 理论比能量650Wh Kg 实际比能量75 120Wh Kg 比功率高 500 1000W Kg 贮存时间长可达10年 62 六 燃料电池 1839年威廉 格罗夫 WilliamGrove 制成燃料电池 1889年蒙德 Mond 和莱格 langer 首先采用燃料电池这一名词 未进一步发展的原因 1 发电机问世 2 由于电池过程动力学方面没有发展 1965 1966年 双子星座 和 阿波罗 飞船成功应用改进的培根H2 O2燃料电池 1973年 中东战争能源危机人们对燃料电池的研制又重新重视起来 1990年以后 环境污染 电动汽车 燃料电池 1 燃料电池的发展历史 63 2 工作原理和方式 燃料电池 FC 是一种在等温下直接将储存在燃料和氢化剂中的化学能高效 50 70 而与环境友好地转化为电能的发电装置 它的原理与化学电源一样 是由电极提供电子转化的场所 阴极进行燃料的氢化过程 阴极进行氧化剂 O2 的还原过程 电子通过外电路作功并构成回路 它的燃料和氧化剂不是储存在电池内 当电池发电时 要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂 排出反应物 同时也排除一定的废热 以维持电池工作温度恒定 FC只决定输出功率的大小 储存的能量则由外部储存量决定 64 3 燃料电池的特点 1 能量转化效率高在燃料电池中 燃料不是被燃烧变为热能 而是直接发电 不受卡诺热机效率的限制理论上能量转化效率在90 以上 实际效率可望在80 以上 理论转换效率 实际转换效率 65 2 比能量和比功率高封闭体系蓄电池与外界没有物质的交换 比能量不会随时间变化 但是燃料电池由于不断补充燃料 随着时间延长 其输出能量也越多3 污染小 66 4 可靠性高电池组合是模块结构 维修方便 处于额定功率以上过载运行时 它也能承受而效率变化不大 当负载有变化时 它的响应速度也快5 适用能力强可以使用多种初级燃料 包括火力发电厂不宜使用的低质燃料设备占地面积小 建设工期短 67 4 燃料电池的分类 按电解质的种类可分为碱性氢氧燃料电池 磷酸盐型燃料电池 固体氧化物型燃料电池 熔融碳酸盐型燃料电池 聚合物离子膜型燃料电池 68 69 1 碱性氢氧燃料电池 AFC Alkalinefuelcell 20世纪50年代起美国就开始对碱性燃料电池进行研究 并在60年代中期成功地用于Apollo登月飞行优点在于除贵金属外 银 镍以及一些金属氧化物都可以作电极催化剂 它的阴极性能也比酸性体系要好 而且电池的结构材料也较便宜缺点在于对CO2和N2十分敏感 故不适用于地面 目前 主要用作短期飞船和航天飞机的电源 70 2 PAFC phosphorousacidfuelcell采用H3PO4液体做电解质 工作温度180 使用Pt做催化剂特点 发电效率在35 43 之间 热电联供时总效率为71 85 洁净 对环境污染小 振动和噪声污染也很小 满负荷运行可达到40000h 电池的输出电压的降低不大于10 使用耐强酸腐蚀的材料构造电池 造价高 装置紧凑 检修空间小 维修困难 PAFC电站可以使用各种气态或液态燃料 如天然气 液化石油气 甲醇 煤油 沼气等 71 3 PEMFC Protonexchangemembranefuelcell PEMFC以全氟磺酸型固体聚合物为电解质 以Pt C或Pt Ru C为电催化剂 以氢或净化重整气为燃料 以空气或纯氧为氧化剂 并以带有气体流动通道的石墨或表面改性金属板为双极板 阳极 H2 2H 2e阴极 1 2O2 2H 2e H2O PEMFC除具有燃料电池一般特点 如能量转化效率高 环境友好等 外 还具有可在室温下快速启动 无电解液流失 水易排出 寿命长 比功率与比能量高等突出特点 因此他特别适于作可移动动力源 阴极 阳极催化剂均采用C载 PtC Pt 全氟磺酸型质子交换膜 Nafion 72 4 MCFC Moltencarbonatefuelcell 阴极 阴极催化剂采用NiO 阳极 阳极催化剂最早采用Ag和Pt 为降低成本采用Ni Ni Cr等 隔膜 MCFC的核心部件 要求强度高 耐高温熔盐腐蚀 浸入熔盐电解质后能阻气并具有良好的离子导电性能 普通采用的是LiAlO2 LiAlO2由Al2O3和Li2CO3混合 去离子水为介质 长时间充分球磨后经600 700 高温烧后制得 电解质 62 Li2CO3 38 K2CO3 mol 490 73 阴极反应 O2 CO2 4e 2CO32 阳极反应 2H2 2CO32 2CO2 2H2O 4e总反应 O2 2H2 2H2O由电极反应可知 MCFC电池的导电离子为CO32 此电池与其他类型燃料电池的区别是 在阴极CO2为反应物 在阳极CO2为产物 因此 电池工作过程中CO2在循环 为确保电池稳定 连续地工作 必须使阳极产生的CO2返回到阴极 一般做法是 将阳极室排出的尾气燃烧 消除其中的氢和一氧化碳 经分离除水 再将CO2返回到阴极 工作温度约650 余热利用价值高 电催化剂以镍为主 不用贵金属 并可用脱硫煤气 天然气为燃料 存在的问题 熔融盐所带来的腐蚀问题 74 5 SOFC Solidoxidefuelcell 阴极 钙钛矿型复合氧化物Ln1 xAxMO3 Ln为镧元素 M为过渡金属 是性能较好的一类阴极材料 广泛使用的是掺锶的亚锰酸镧 LSM 钙钛矿材料 La1 xSrxMnO3 阳极 主要集中在Ni Co Ru Pt等适合作阳极的金属以及具有混合电导性能的氧化物 如Y2O3 ZrO2 TiO2 广泛使用Ni YSZ陶瓷电极 一般将亚微米NiO和YSZ粉末充分混合 烧结 固体电解质 通常为萤石结构的氧化物 常用的电解质是Y2O3 CaO等掺杂的ZrO2 ThO2 CeO2或Bi2O3氧化物形成固溶体 目前广泛采用的为6 10 mol Y2O3掺杂的ZrO2 YSZ 900 下 电解质电导约为0 1S cm 75 阴极 O2 4e 2O2 阳极 2O2 4e 2H2 2H2O2H2 O2 2H2OSOFC以固体氧化物作为电解质 这种氧化物在较高温度下具有传递O2 离子的能力 在电池中起传递O2 和分离空气 燃料的作用 氧离子在电池两侧氧浓度差驱动力的作用 通过电解质中的氧空位跃迁 迁移到阳极上与燃料进行氧化反应 SOFC是最理想的燃料电池类型之一 因为它不仅具有其他燃料电池高效与环境友好的优点 而且还具备如下优点 SOFC为固态电池结构 避免了因使用液态电解质所带来的腐蚀和电解液流失等问题 电池在高温 800 1000 下工作 电极反应过程相当迅速 无需需要贵金属电极 电池成本大大降低 电池排出的高质量余热可充分利用 即能用于取暖也能与蒸汽轮机联用进行底循环发电 能量综合利用效率从50 提高到70 燃料适用范广 不仅用H2 CO等作为燃料 而且可直接用天然气 甲烷 煤气 碳氢化合物以及其他可燃烧的物质 如NH3 H2S等 作为燃料发电 76 七 新能源电池进展 1 太阳能电池 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置 硅太阳能电池的结构 将厚度为0 2 0 5mm的n型硅单晶经表面处理后 利用高温处理使氧化硼扩散到单晶硅表面2 m作用的深度处制成pn结 再经化学处理 安装电极和覆盖防反射膜而制成元件 77 硅太阳能电池的原理 当太阳光照射到半导体元件表面时 价带的电子被激发到导带上去 因而产生空穴 电子对 只有光的能量超过半导体禁带宽度 带隙 Eg 这种光电效应才能发生这种光电效应才能发生 硅的Eg为1 12V 故波长低于为1 13 m 硅的的光才可有效地起作用 在pn结附近的过剩的电子就向n侧移动 使n侧带负电 使p侧带正电 当与负载连接时 就有电流流过 78 硅太阳能电池的性能 使用温度范围宽 50 150oC光电转换效率可超过20 材料成本高 79 太阳能电池的发展 发展非晶硅太阳能电池 如CdTe GaAs等半导体材料研究薄膜化的聚合物太阳能电池 3 染料敏化太阳能电池 80 2 超级电容器 超级电容是近几年才批量生产的一种无源器件 介于电池与普通电容之间 具有电容的大电流快速充放电特性 同时也有电池的储能特性 并且重复使用寿命长 放电时利用移动导体间的电子 而不依靠化学反应 释放电流 从而为设备提供电源 81 超级电容器也属于双电层电容器 它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种 其基本原理和其它种类的双电层电容器一样 都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量 传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离 两块极板之间为真空 相对介电常数为1 或一层介电物质 相对介电常数为 所隔离 电容值为 C A 3 6 d 10 6 F 其中A为极板面积 d为介质厚度所储存的能量为 E 1 2C V 2 超级电容技术原理 82 超级电容的特性 体积小 容量大 电容量比同体积电解电容容量大30 40倍充电速度快 10秒内达到额定容量的95 充放电能力强失效开路 过电压不击穿 安全可靠超长寿命 可长达40万小时以上充放电线路简单 无需充电电池那样的充电电路 真正免维护电压类型 2 7v 12 0v容量范围 0 1F 1000F 83 超级电容与传统电容的不同 电容是以将电荷分隔开来的方式储存能量的 储存电荷的面积