應用電化學：第二章 電池

第二章電池

A

CuZn

稀H2SO4［問題］在日常生活和學習中，你用過哪些電池，你知道電池的其它應用嗎？

用于汽車的鉛蓄電池和燃料電池用于“神六”的太陽能電池筆記本電腦專用電池手機專用電池攝像機專用電池電池化學電池太陽能電池原子能電池將化學能轉(zhuǎn)換成電能的裝置將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置將放射性同位素自然衰變時產(chǎn)生的熱能通過熱能轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置電池的種類化學電池一次電池二次電池燃料電池定義例子電池中的反應物質(zhì)進行一次氧化還原反應并放電之后，就不能再次利用．又稱充電電池或蓄電池在放電后經(jīng)充電可使電池中的活性物質(zhì)獲得重生，恢復工作能力，可多次重復使用．是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的化學電源，又稱連續(xù)電池．干電池：電池中的電解質(zhì)溶液制成膠體，不流動，故稱干電池．鉛蓄電池、鋅銀蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池氫氣、甲醇、天然氣、煤氣與氧氣組成燃料電池。普通鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋅銀紐扣電池第一節(jié)化學電池1、化學電池的分類２、化學電池優(yōu)點（１）能量轉(zhuǎn)換效率高，供能穩(wěn)定可靠。（２）可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池和電池組，使用方便。（３）易維護，可在各種環(huán)境下工作。３、判斷電池優(yōu)劣的標準

除特殊情況外，質(zhì)量輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池，其質(zhì)量好。第二節(jié)一次電池鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅-錳干電池的結(jié)構(gòu)NH4Cl、ZnCl2

和

H2O等1、干電池負極正極電池反應：氫氧化氧錳Zn–2e-=Zn2+（MnO2和C）：普通鋅錳電池（Zn）：2、堿性鋅-錳干電池負極：正極：電池反應：電解質(zhì)：KOH—Zn—MnO2Zn+2OH--2e-

=Zn(OH)22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2［思考］該電池的正負極材料和電解質(zhì)．堿性電池

3、鋅銀紐扣電池Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-鋅-氧化銀紐扣電池，算是紐扣電池中的佼佼者。電壓1.55V，容量高于碳性，堿性紐扣電池，高階放電曲線平穩(wěn)，大約有90%的部分始終穩(wěn)定在1.45V以上，放電曲線幾乎成一條直線，然后迅速掉電，電壓豎直掉下去。主要的用途是：計算器，助聽器，相機，手表等。Zn＋2OH-

－2e-=ZnO＋H2O負極：正極：第三節(jié)二次電池蓄電池1、鉛蓄電池由哪幾部分組成2、鉛蓄電池內(nèi)部分為幾個單格？一格的靜止電動勢約為多少？3、正、負極板上的活性物質(zhì)各是什么？4、鉛蓄電池的每一個單格都有一個加液孔，孔蓋上通氣孔，其作用？5、蓄電池放電終了特征？放電時兩極板上生成什么物質(zhì)，電解液有何變化？6、蓄電池充電終了特征？充電時兩極板上各生成什么物質(zhì)？電解液有何變化？問題蓄電池的結(jié)構(gòu)極板、隔板、電解液、外殼極板—由柵架和活性物質(zhì)組成。正極板：二氧化鉛（PbO2),棕紅色負極板：海綿狀純鉛（Pb）,深灰色隔板：在正、負極板間起絕緣作用，可使電池結(jié)構(gòu)緊湊。

A、隔板有許多微孔，讓電解液暢通無阻。

B、隔板一面平整，一面有溝槽。溝槽面對著正極板。使充放電時，電解液能通過溝槽及時供給正極板，當正極板上的活性物質(zhì)PbO2脫落時能迅速通過溝槽沉入容器底部。

殼體：硬橡膠、塑料兩種。外殼上有鏈條和加液孔聯(lián)條：串聯(lián)各單格電池，材料為鉛。加液孔蓋：蓄電池的每一個單格都有一個加液孔，為加注電解液和檢測電解液密度所用，孔蓋上有通氣孔，該小孔應經(jīng)常保持暢通，一便隨時排除蓄電池化學反應放出的氫氣和氧氣，防止外殼漲列和發(fā)生事故。電解液：用純硫酸和蒸餾水按一定的比例配制成配制成的電解液比重一般在1.24～1.30g/cm3之間。1鉛蓄電池蓄電池的工作原理正極板：PbO2→Pb4+

＋2.0V負極板：Pb-2e→Pb2+-0.1V兩極板之間的電動勢為2.1V

串連6個放電時化學反應：負極板：Pb-2e→Pb2+Pb2++SO42-→PbSO4

附在負極板上正極板：Pb4++2e→Pb2+

Pb2++SO42-→PbSO4

附在正極板上

總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O充電時化學反應：正極板：PbSO4→Pb2++SO42-

Pb2+-2e→Pb4+

PbSO4+2H2O→PbO2+2H2SO4負極板：PbSO4→Pb2++SO42-Pb2++2e→Pb總反應：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4蓄電池常見的故障故障特征極板上生成一層白色粗晶粒的PbSO4，在正常充電時不能轉(zhuǎn)化為PbO2和Pb的現(xiàn)象。（1）硫化的電池放電時，電壓急劇降低，過早降至終止電壓，電池容量減小。（2）蓄電池充電時單格電壓上升過快，電解液溫度迅速升高，但密度增加緩慢，過早產(chǎn)生氣泡，甚至一充電就有氣泡。故障原因（1）蓄電池長期充電不足或放電后沒有及時充電，導致極板上的PbSO4有一部分溶解于電解液中，環(huán)境溫度越高，溶解度越大。當環(huán)境溫度降低時，溶解度減小，溶解的PbSO4就會重新析出，在極板上再次結(jié)晶，形成硫化。（2）電解液液面過低，使極板上部與空氣接觸而被氧化，在行車中，電解液上下波動與極板的氧化部分接觸，會生成大晶粒PbSO4硬化層，使極板上部硫化。（3）長期過量放電或小電流深度放電，使極板深處活性物質(zhì)的孔隙內(nèi)生成PbSO4。（4）新蓄電池初充電不徹底，活性物質(zhì)未得到充分還原。（5）電解液密度過高、成分不純，外部氣溫變化劇烈。排除方法輕度硫化的蓄電池，可用小電流長時間充電的方法予以排除；硫化較嚴重者采用去硫化充電方法消除硫化；硫化特別嚴重的蓄電池應報廢。故障一：極板硫化故障特征主要指正極板上的活性物質(zhì)PbO2的脫落。蓄電池容量減小，充電時從加液孔中可看到有褐色物質(zhì)，電解液渾濁。故障原因（1）蓄電池充電電流過大，電解液溫度過高，使活性物質(zhì)膨脹、松軟而易于脫落。（2）蓄電池經(jīng)常過充電，極板孔隙中逸出大量氣體，在極板孔隙中造成壓力，而使活性物質(zhì)脫落。（3）經(jīng)常低溫大電流放電使極板彎曲變形，導致活性物質(zhì)脫落。（4）汽車行駛中的顛簸振動。排除方法對于活性物質(zhì)脫落的鉛蓄電池，若沉積物較少時，可清除后繼續(xù)使用；若沉積物較多時，應更換新極板和電解液。故障二：活性物質(zhì)脫落故障特征主要是正極板柵架腐蝕，極板呈腐爛狀態(tài)，活性物質(zhì)以塊狀堆積在隔板之間，蓄電池輸出容量降低。故障原因（1）蓄電池經(jīng)常過充電，正極板處產(chǎn)生的O2使柵架氧化。（2）電解液密度、溫度過高、充電時間過長，會加速極板腐蝕。（3）電解液不純。排除方法腐蝕較輕的蓄電池，電解液中如果有雜質(zhì)，應倒出電解液，并反復用蒸餾水清洗，然后加入新的電解液，充電后即可使用；腐蝕較嚴重的蓄電池，如果是電解液密度過高，可將其調(diào)整到規(guī)定值，在不充電的情況下繼續(xù)使用；腐蝕嚴重的蓄電池，如柵架斷裂、活性物質(zhì)成塊脫落等，則需更換極板。故障三：極板柵架腐蝕故障特征蓄電池正、負極板直接接觸或被其它導電物質(zhì)搭接稱為極板短路。極板短路的蓄電池充電時充電電壓很低或為零，電解液溫度迅速升高，密度上升很慢，充電末期氣泡很少。

故障原因（1）隔板破損使正、負極板直接接觸。（2）活性物質(zhì)大量脫落，沉積后將正、負極板連通。（3）極板組彎曲。（4）導電物體落入池內(nèi)。

排除方法出現(xiàn)極板短路時，必須將蓄電池拆開檢查。更換破損的隔板，消除沉積的活性物質(zhì)，校正或更換彎曲的極板組等。

故障特征蓄電池在無負載的狀態(tài)下，電量自動消失的現(xiàn)象稱為自放電。如果充足電的蓄電池在30天之內(nèi)每晝夜容量降低超過2%，稱為故障性自放電。故障原因（1）電解液不純，雜質(zhì)與極板之間以及沉附于極板上的不同雜質(zhì)之間形成電位差，通過電解液產(chǎn)生局部放電。（2）蓄電池長期存放，硫酸下沉，使極板上、下部產(chǎn)生電位差引起自放電。（3）蓄電池溢出的電解液堆積在電池蓋的表面，使正、負極柱形成通路。（4）極板活性物質(zhì)脫落，下部沉積物過多使極板短路。排除方法自放電較輕的蓄電池，可將其正常放完電后，倒出電解液，用蒸餾水反復清洗干凈，再加入新電解液，充足電后即可使用；自放電較為嚴重時，應將電池完全放電，倒出電解液，取出極板組，抽出隔板，用蒸餾水沖洗之后重新組裝，加入新的電解液重新充電后使用。故障五：自放電故障四：極板短路2鎳鎘（氫）蓄電池工作原理

1.放電過程中的電化學反應負極反應正極反應

總反應2.充電過程中的化學反應

充電時負極板上的氫氧化鎘，先電離成鎘離子和氫氧根離子，然后鎘離子從外電路獲得電子，生成鎘原子附著在極板上，而氫氧根離子進入溶液參與正極反應鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時，就不能放出全部電量。比如，鎳鎘電池只放出80%的電量后就開始充電，充足電后，該電池也只能放出80%的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應。電池全部放完電后，極板上的結(jié)晶體很小。電池部分放電后，氫氧化亞鎳沒有完全變?yōu)闅溲趸嚕Ｓ嗟臍溲趸瘉嗘噷⒔Y(jié)合在一起，形成較大的結(jié)晶體。結(jié)晶體變大是鎳鎘電池產(chǎn)生記憶效應的主要原因。

貴！

鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長，并且無記憶效應。鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH（放電時）和Ni(OH)2(充電時)，負極板的活性性物質(zhì)為H2（放電時）和H2O（充電時），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，充放電時的電化學反應如下：過量充電時的電化學反應：

比較（鎳鎘）

由于有催化劑的氫電極面積大，而且氫氣能夠隨時擴散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易在蓄電池內(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快，可以使蓄電池內(nèi)部氧氣的濃度，不超過千分之幾。

過充電時，電池內(nèi)產(chǎn)生的大量氣體，如果不能很快復合，電池內(nèi)部的壓力就會顯著增加，這樣將損傷電池。氣泡聚集在極板表面，將減小極板表面參與化學反應的面積并且增加電池的內(nèi)阻。

放電終止電壓是指蓄電池放電時允許的最低電壓。如果電壓低于放電終止電壓后蓄電池繼續(xù)放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成深度放電，這樣，極板上形成的生成物在正常充電時就不易再恢復，從而影響電池的壽命。蓄電池參數(shù)

蓄電池的五個主要參數(shù)為：電池的容量、標稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。

電池的容量通常用Ah(安時)表示，1Ah就是能在1A的電流下放電1小時。單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定單元電池含有的電荷量，而活性物質(zhì)的含量則由電池使用的材料和體積決定，因此，通常電池體積越大，容量越高。與電池容量相關(guān)的一個參數(shù)是蓄電池的充電電流。蓄電池的充電電流通常用充電速率C表示，C為蓄電池的額定容量。例如，用2A電流對1Ah電池充電，充電速率就是2C；同樣地，用2A電流對500mAh電池充電，充電速率就是4C。

標稱電壓：電池剛出廠時，正負極之間的電勢差。標稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。當環(huán)境溫度、使用時間和工作狀態(tài)變化時，單元電池的輸出電壓略有變化，此外，電池的輸出電壓與電池的剩余電量也有一定關(guān)系。單元鎳鎘電池的標稱電壓約為1.3V（但一般認為是1.25V），單元鎳氫電池的標稱電壓為1.25V。

電池的內(nèi)阻決定于極板的電阻和離子流的阻抗。在充放電過程中，極板的電阻是不變的，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化。

充電終止電壓：蓄電池充足電時，極板上的活*物質(zhì)已達到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。鎳鎘電池的充電終止電壓為1.75~1.8V，鎳氫電池的充電終止電壓為1.5V。

鋰離子電池的工作原理鋰離子電池正極材料：幾種材料的性能對比固體電解質(zhì)層SEI：形成原因和作用電解液：有機溶劑的混合使用聚合物電解質(zhì)：工作原理第四節(jié)鋰離子電池一、概述鋰離子電池的定義指以兩種不同的能夠可逆地插入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負極的二次電池體系鋰離子電池的發(fā)展歷史1980年，M.Armand等人首先提出用嵌鋰化合物來代替二次鋰電池中的金屬鋰負極，并提出“搖椅式電池”（rockingchairbattery）的概念嵌鋰化合物代替二次鋰電池中的金屬鋰負極，電池的安全性大為改善，并且具有良好的循環(huán)壽命，同時電池的充放電效率也得到提高1990年日本Sony公司研制出以石油焦為負極、LiCoO2為正極的鋰離子二次電池鋰離子電池的工作原理正極負極電池具有高比能量、長循環(huán)壽命、較寬的工作溫度范圍、高可靠性等優(yōu)點

鋰離子電池的優(yōu)點二、正極材料對鋰離子正負極材料的要求：具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的嵌入和脫出，該晶體結(jié)構(gòu)牢固，在充放電電壓范圍內(nèi)的穩(wěn)定性好，使電極具有良好的充放可逆性，以保證鋰離子電池的循環(huán)壽命;充放電過程中，應有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出，使電極具有較高的電化學容量;3.

在鋰離子進行嵌脫時，電極反應的自由能變化應較小，以使電池有較平穩(wěn)的充放電電壓，以利于鋰離子電池的廣泛應用;鋰離子應有較大的擴散系數(shù)，以減少極化造成的能量損耗，保證電池有較好的快充放電性能;分子量小，提高重量能量密度；摩爾體積小，提高體積能量密度.LiCoO2正極材料鋰離子電導率高，擴散系數(shù)10-9～10-7cm/s充電上限電壓4.3V，高于此電壓基本結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變制備方法

固相合成法（0≤x≤0.5）

LiNiO2正極材料與LiCoO2相比，LiNiO2具有的優(yōu)勢制備困難：制備電化學性能良好且具有化學計量結(jié)構(gòu)的LiNiO2條件非?？量讨苽涞腖iNiO2一般表示為Li2xNi2-2xO2，x在0.3～0.5范圍內(nèi)變化改性主要有摻雜和包覆處理,較為成功的是Co的摻雜鋰錳氧化物Mn資源非常豐富、無毒、價廉;鋰錳氧化物是最有希望取代鋰鈷氧化物的正極活性物質(zhì)1.尖晶石型LixMn2O4立方結(jié)構(gòu)當1<x≤2時，Mn離子主要以＋3價存在，將導致嚴重的Jahn-Teller效應(容量衰減)

在電解液中會逐漸溶解，發(fā)生Mn3+歧化反應；電解液在高壓充電時不穩(wěn)定，即Mn4+具有高氧化性2.層狀LiMnO2扭曲的四方密堆結(jié)構(gòu)在3.5~4.5V范圍內(nèi)，LiMnO2脫鋰容量高，可達200mAh/g，但脫鋰后結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，慢慢向尖晶石型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。晶體結(jié)構(gòu)的反復變化導致體積的反復膨脹和收縮，循環(huán)性能不好。較高溫度下也會發(fā)生Mn的溶解而導致電化學性能劣化三種正極活性材料性能比較材料名稱理論比容量(mAh/g)實際比容量(mAh/g)密度(g/cm3)價格比特點LiCoO2275130-1405.003性能穩(wěn)定，體積比能量高，放電平臺平穩(wěn)LiNiO2274170-1804.782高比容量，熱穩(wěn)定性較差，價格較低LiMn2O4148100-1204.281低成本，比容量較低，高溫循環(huán)和存放性能較差，安全性好嵌鋰磷酸鹽正極材料LiMPO4（M=Mn、Fe、Co、Ni）正極材料中，以LiFePO4的研究最為突出

實際放電容量>160mAh/g,3C大電流下放電比容量>130mAh/g,其在原料來源、成本、環(huán)保和化學穩(wěn)定性方面也都令人滿意。影響材料的最主要因素是LiFePO4室溫下的低電導率

三、負極材料碳負極材料：石墨典型的石墨化負極材料有石墨化中間相微珠、天然石墨和石墨化碳纖維理論容量372mAh/g，電位基本與金屬鋰接近.不可逆容量低，首次充電效率高，且價格低廉。固體電解質(zhì)層(SEI)

對于所有的碳材料，在鋰嵌入石墨層間時，電解質(zhì)溶液中的有機溶劑和鋰鹽均可能從電極得到電子，發(fā)生還原反應，在電極表面形成對電子絕緣而對離子導電的固體電解質(zhì)層(SEI).

其主要組成為Li2CO3、ROCO2Li.當SEI層的厚度增加到能夠阻止溶劑從電極上得到電子時，還原反應自行終止，相當于在電極表面形成了一層鈍化膜

主要缺點是墨片面容易發(fā)生剝離，循環(huán)性能不是很理想，需要進行改性處理.氧化物負極材料無定形錫基復合氧化物：SnMxOy

SnSi0.4Al0.2P0.6O3.6零應變材料

LiTi5O12

相對于金屬鋰的電位為1.5V，因而與4V的正極材料配對形成2.5V的電池.

可逆容量一般為150mAh/g.鋰的嵌入和脫嵌不會產(chǎn)生應變，循環(huán)壽命很好四、電解液對鋰離子電池電解液的要求鋰離子電導率高。在一般穩(wěn)定范圍內(nèi)，電導率要達到3×10-3～2×10-2S/cm。電化學窗口大。即電化學性能在較寬的范圍內(nèi)不發(fā)生分解反應。電解質(zhì)的可用液態(tài)范圍寬，在－40～70℃范圍內(nèi)均為液態(tài)。熱性能穩(wěn)定，在較寬的范圍內(nèi)不發(fā)生分解反應?；瘜W穩(wěn)定性高，即與電池體系的電極材料、集流體、隔膜、粘接劑等基本上不發(fā)生反應。最大可能促進電極可逆反應的進行；沒有毒性，使用安全；容易制備，成本低。有機溶劑有機溶劑應當在相當?shù)偷碾娢幌路€(wěn)定或不與金屬鋰發(fā)生反應，因此必須是非質(zhì)子溶劑；極性高（也就是介電常數(shù)大），能溶解足夠的鋰鹽（鋰鹽容易解離）；同時黏度低（離子移動速度快），從而使電導率高；溶點低、沸點高，蒸汽壓低，工作溫度范圍寬

但是上述幾方面基本相互沖突,通常采用混合溶劑來彌補各組分的缺點一般采用直鏈酯和環(huán)酯(如EC+DMC，PC+DEC)混合溶劑電解質(zhì)無機鋰鹽

LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6有機鋰鹽

三氟甲基磺酸鋰LiCF3SO3

二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰LiN(CF3SO2)2

三(三氟甲基磺酰)甲基鋰LiC(SO2CF3)五、聚合物鋰離子電池聚合物電池的提出用液體電解質(zhì)組裝的鋰離子電池在使用過程中逐漸暴露出易生長枝晶、漏液、安全性差等問題

聚合物鋰離子電池（PLIB，PolymerLithiumIonBattery）的主要優(yōu)點是無漏液、電池尺寸形狀容易設計，電池安全性大為提高?，F(xiàn)有三種聚合物鋰離子電池：（1）固體聚合物電解質(zhì)電池（2）凝膠聚合物電解質(zhì)電池（3）聚合物正極電池聚合物電解質(zhì)的工作原理定義：含有聚合物材料且能像液體一樣導電的電解質(zhì)導電機理：首先遷移離子如鋰離子等與聚合物鏈上的極性基團如氧、氮等原子配位；在電場作用下，隨著聚合物高彈區(qū)中分子鏈段的熱運動，遷移離子與極性基團不斷發(fā)生配位和解配位的過程，從而實現(xiàn)離子的遷移。

聚合物電解質(zhì)的分類聚合物電解質(zhì)可分為：固體聚合物電解質(zhì)SPE(SolidPolymerElectrolyte)和凝膠聚合物電解質(zhì)GPE目前已開發(fā)的聚合物電解質(zhì)有：聚環(huán)氧乙烯(PEO)基、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基、聚偏氟乙烯(PVDF)基、聚丙烯腈(PAN)基和聚氯乙烯(PVC)基等，并在此基礎上形成各種共聚物電解質(zhì)新型聚合物鋰離子電池TiS2為負極的聚合物鋰離子電池Dion電池電池的性能充放電（容量）測試、高低溫性能、循環(huán)性能安全性能項目試驗條件新電池循環(huán)后電池電特性短路外短路無異常無異常過充電1C,12V(max)無異常無異常異常電流充電6C,12V(max)無異常無異常力學性能針刺刺破短路無異常無異常擠壓壓至短路無異常無異常振動振幅0.88mm,10Hz-55Hz1Hz/min,90min無異常無異常落下1.9m,10次無異常無異常熱特性箱內(nèi)加熱150℃,保持10min無異常無異常焚燒置于火焰上起火起火六、鋰離子電池的電性能

“是什么東西使得我國無以數(shù)計的城鎮(zhèn)的春天之音沉寂下來了呢？”

－－摘自美國科學家卡遜的警世之作《寂靜的春天》草樹知春不久歸，百般紅紫斗芳菲

被石油污染的企鵝

黑色天空

五顏六色的水

不堪重負的大地－山西某礦區(qū)

傳統(tǒng)能源對環(huán)境污染起了

推波助瀾的作用吞煙吐霧的火力發(fā)電站

招搖過市的冒煙車傳統(tǒng)能源發(fā)電方式的瓶頸一般我們熟知的發(fā)電方式就是利用燃料(石油、煤炭、汽油、核能等)通過化學變化產(chǎn)生熱能之后，間接利用水蒸汽推動發(fā)電機來產(chǎn)生電能。這樣的能量轉(zhuǎn)換過程需要經(jīng)過許多程序，相對其轉(zhuǎn)換的過程程中也消耗了許多不必要的浪費，以至于最后變成電能的效率通常都只剩下_____左右。30%圖片取自「新核家園」網(wǎng)站若可以不要經(jīng)過這些復雜且不必要的化學變化，而是直接將燃料轉(zhuǎn)換成電能，理論上就可以大幅提高能源轉(zhuǎn)換的效率！Whowillbe（無污染、效率高）

未來能源希望之星？！燃料電池《應用電化學》

第二章電池

第五節(jié)燃料電池一燃料電池的起源1839年，由英國法官威廉葛洛夫(WilliamGrove)在一次實驗中意外發(fā)現(xiàn)了燃料電池的發(fā)電原理；但當時因為電極材料問題，使這項發(fā)明未受重視。1959年，法蘭西斯培根(FrancisT.Bacon)制作出一個5kW的燃料電池組，能夠推動高耗能電器，使這項技術(shù)得以走出實驗室。其后使用氫氣為燃料的堿性燃料電池(AFC)成功應用在航天飛機的電力供應系統(tǒng)；其產(chǎn)物是純淨的水，成為太空人飲用水的來源之一。二燃料電池的定義燃料電池（Fuelcell），是一種使用燃料進行化學反應直接產(chǎn)生電力的裝置。由于它是把燃料通過化學反應釋出的能量變?yōu)殡娔茌敵觯员环Q為燃料電池。燃料的選擇性非常高，包括氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，甚至于現(xiàn)在運用最廣泛的汽油，都可以做為燃料電池的燃料。

以特殊催化劑使燃料與氧發(fā)生反應，因不需推動渦輪等發(fā)電器具，也不需將水加熱至水蒸汽再經(jīng)散熱變回水，所以能量轉(zhuǎn)換效率高達70%~80%左右，足足比一般發(fā)電方法高出了40%以上。三燃料電池的種類依電解質(zhì)的種類，一般可分為質(zhì)子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）堿性燃料電池（alkalinefuelcell,AFC）磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell,PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（moltencarbonatefuelcell,MCFC）固態(tài)氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell,SOFC）直接甲醇燃料電池（directmethanolfuelcell，DMFC,PEMFC的延續(xù)）生物燃料電池目前主要的方式四工作原理（重點掌握內(nèi)容）

－質(zhì)子交換膜燃料電池燃料電池是利用水的電解的逆反應的"發(fā)電機"。工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。電極反應及電池總反應式：陽極(電池負極)半反應

H2

－2e-

→2H+陰極(電池正極)半反應

2H++?O2+2e-→H2O總反應

H2+?O2→H2OΔE=1.229V(latm、25℃)

【水電解的逆反應】H2

→2

H+

+2H2H+e-H+22+2e-+12O2H2O電解質(zhì)O2陽極陰極提問：比較燃料電池與一次電池（干電池、鋅銀紐扣電池）、二次電池（鉛酸蓄電池、鎳鎘/氫電池、鋰離子電池）在工作原理上的差異及各電池的特征？①燃料做負極，助燃劑氧氣為正極；②電極材料一般不參加化學反應，只起傳導電子的作用；⑤能量轉(zhuǎn)化率高(超過80%)，普通的只有30%，有利于節(jié)約能源；③氧化劑與還原劑在工作時不斷補充；④反應產(chǎn)物不斷排出；小結(jié)：⑥零污染。五燃料電池在應用上的優(yōu)勢低污染高效率無噪音用途廣免充電燃料來源廣燃料電池比一般發(fā)電方式更為清潔，若用氫氣作為燃料，其排放物是可供飲用的水和可以利用的熱能。發(fā)電主體無噪音問題，若需散熱則有風扇的雜音。

燃料電池所能提供的電力范圍廣泛(1W~1000MW)，因此可應用的產(chǎn)品也多。

一般電池是將能源貯藏于電池本體中，待用完后即需舍棄或重新充電，以恢復電力。燃料電池的能源是由燃料中的化學能所提供，不含在電池本體結(jié)構(gòu)中，因此只要燃料源源不斷的供應，燃料電池便可以不停的發(fā)電。

只要含有氫原子的化學能源如天然氣、石油、煤炭等氣化產(chǎn)物，或是沼氣、酒精、甲醇等，都可作為燃料電池的能源進料。

因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉(zhuǎn)換成電能，故不受卡諾循環(huán)的限制。

IBM研制出采用燃料電池的ThinkPad原型機加拿大AngstromPower的公司生產(chǎn)出了全球第一款手機使用的燃料電池，并已經(jīng)應用到了摩托羅拉L7手機中六最新科技－燃料電池商業(yè)化產(chǎn)品

在美國加利福尼亞舉辦的第三屆CaFCP公路拉力賽上，一款由面向未來、當前最暢銷的歐洲車格外引人注目，這就是全新的大眾汽車TouranHyMotion。這輛多功能轎車使用一臺燃料電池為其高扭矩電動機提供能量。這是一款最新型的絕對零排放的多功能轎車。零排放燃料電池汽車--大眾途安

紅豆集團旗下的千里馬車業(yè)公司聯(lián)手上海攀業(yè)共同開發(fā)的全新一代燃料電池自行車為我們實現(xiàn)了這一夢想。全新“綠色天使”系列燃料電池自行車是第一款批量出口的燃料電池自行車。全新一代燃料電池自行車

中國完全自主知識產(chǎn)權(quán)、自主品牌的第四代燃料電池汽車近日亮相上海同濟大學校園。該車最高時速可達一百五十公里以上，百公里加速時間也從之前的十九秒縮至十五秒，加一次氫氣更是可以持續(xù)行駛超過三百公里，無論是在駕駛性能上還是在環(huán)保性能上都堪稱“未來汽車”的典范。同濟大學汽車學院研制的第四代燃料電池汽車------美國空軍學院研究的氫燃料電池無人機七課程實踐－實驗室自制簡易燃料電池所需器材透明塑膠罐、廢四號干電池、計算器、LED燈利用廢電池的碳棒當作電極，因為碳棒(石墨)的表面有許多細小的毛孔，所以可以吸附部分的氣體，是制作簡易燃料電池很方便的材料，方便又環(huán)保！利用電源供應器電解一段時間后，使正極附著氧氣，負極附著氫氣，燃料電池所需的「燃料」便有了！接上LED燈可明顯看到燃料電池發(fā)電了接上計算器也可以使用希望大家都能有一個愉快的學習！創(chuàng)意來自想像與務實的結(jié)合H2e-H+H+e-O2H2e-e-H+H+H2OH2O回到課程太陽能電池的發(fā)展歷史太陽能電池市場狀況及趨勢太陽能電池定義和分類太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理太陽能電池的生產(chǎn)工藝太陽能電池的應用第六節(jié)太陽能電池1.太陽能電池的發(fā)展歷史

1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應用于空間技術(shù)。當時太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為8％。1973年世界爆發(fā)石油危機，從此之后，人們普遍對于太陽能電池關(guān)注，近10幾年來，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優(yōu)點更加顯現(xiàn)。一些發(fā)達國家制定了一系列鼓舞光伏發(fā)電的優(yōu)惠政策，幷實施龐大的光伏工程計劃，為太陽能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了良好的發(fā)展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產(chǎn)業(yè)進入了高速發(fā)展時期，幷帶動了上游多晶硅材料業(yè)和下游太陽能電池設備業(yè)的發(fā)展。在1997－2006年的10年中，世界光伏產(chǎn)業(yè)擴大了20倍，今后10年世界光伏產(chǎn)業(yè)仍以每年30％以上的增長速度發(fā)展。世界太陽能電池發(fā)展的主要節(jié)點1954美國貝爾實驗室發(fā)明單晶硅太陽能電池，效率為8％1955第一個光伏航標燈問世，美國RCA發(fā)明GaAs太陽能電池1958太陽能電池首次裝備于美國先鋒1號衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8％。1959第一個單晶硅太陽能電池問世。1960太陽能電池首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。1974突破反射絨面技術(shù)，硅太陽能電池效率達到18％。1975非晶硅及帶硅太陽能電池問世1978美國建成100KW光伏電站1980單晶硅太陽能電池效率達到20％多晶硅為14.5％，GaAs為22.5％1986美國建成6.5KW光伏電站1990德國提出“2000光伏屋頂計劃”1995高效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達32％。1997美國提出“克林頓總統(tǒng)百萬太陽能屋頂計劃，日本提出“新陽光計劃”1998單晶硅太陽能電池效率達到24.7％，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計劃”2000世界太陽能電池總產(chǎn)量達287MW，2010年歐洲生產(chǎn)60億瓦光伏電池據(jù)統(tǒng)計，從2002年至今，中國太陽能電池產(chǎn)量猛增了77倍。2009年，我國太陽能電池產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的三分之一，連續(xù)三年成為世界第一大太陽能電池生產(chǎn)國。盡管我國太陽能電池從2007年開始成為世界生產(chǎn)最多的國家，但是，我們現(xiàn)在對太陽能普遍的轉(zhuǎn)化效率是16%，17%，國外最高的已經(jīng)超過了20%。我國太陽能電池的發(fā)展1958年我國開始研制太陽能電池1959年中國科學院半導體研究所研制成功第一片具有實用價值的太陽能電池

1971

年在我國發(fā)射的第二顆人造衛(wèi)星——科學實驗衛(wèi)星實踐一號上首次應用太陽能電池1973年在天津港的海面航標燈上首次應用14.7W太陽能電池1979年我國開始利用半導體工業(yè)廢次硅材料生產(chǎn)單晶硅太陽能電池1980年~1990年期間我國引進國外太陽能電池關(guān)鍵設備、成套生產(chǎn)線和技術(shù)2004年我國太陽能電池產(chǎn)量超過印度，年產(chǎn)量達到50MW以上

20世紀80年代后期，我國太陽能電池生產(chǎn)能力達到4.5MW/年，初步形成了我國太陽能電池產(chǎn)業(yè)

2005~2006年，我國的太陽能電池組件產(chǎn)量100MW/年以上，我國成為世界重要的光伏工業(yè)基地之一，初步形成一個以光伏工業(yè)為源頭的高科技光伏產(chǎn)業(yè)鏈并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及工作原理太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池陣和并網(wǎng)逆變器兩部分組成。

1.太陽電池陣：將太陽光能轉(zhuǎn)換成電能，在陽光充足時通過并網(wǎng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸入電網(wǎng)。2.并網(wǎng)逆變器：并網(wǎng)逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的設備，輸入端接太陽電池陣，輸出端接交流電網(wǎng)。并網(wǎng)逆變器除具有普通逆變器的功能外，還應具有以下功能：

1)純正弦波同步并網(wǎng)送電：通過DC/AC電壓型逆變器實現(xiàn)電流瞬時控制，將電流控制成50Hz正弦波，自動與電網(wǎng)同步后送入電網(wǎng)。以正弦波電流的方式并網(wǎng)送電不會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾和過多的無功分量。

2)太陽能電池最大功率追蹤技術(shù)：以晶體硅為基本材料的太陽能電池在不同的照射強度和溫度下其I-V特性曲線各不相同，而輸出與I-V特性相應存在一個最大功率輸出點，因此，對太陽電池最大輸出功率點的追蹤MPPT(MaximumPowerPointTrace)成為提高整個系統(tǒng)效率的關(guān)鍵點之一。

3)反孤島運行技術(shù)：并網(wǎng)發(fā)電運行時，電網(wǎng)因意外情況出現(xiàn)停電時，并網(wǎng)運行設備應該能夠及時檢測出電網(wǎng)停電情況，并與電網(wǎng)解列，停止向電網(wǎng)送電，以保護人身和設備安全。

4)獨立供電及自動同步并網(wǎng)運行技術(shù)：系統(tǒng)在電網(wǎng)停電時，可實現(xiàn)自動與電網(wǎng)解列，獨立向重要負載提供優(yōu)質(zhì)交流電能。在配備蓄電池后，本系統(tǒng)還可在夜間不間斷地提供電能。在電網(wǎng)恢復供電時，通過與電網(wǎng)電壓同步，可在不影響給負載供電的情況下切換至并網(wǎng)發(fā)電運行方式。2.太陽能電池市場狀況及趨勢2.1太陽能電池的市場狀況

1998年以前，單晶硅電池占世界光伏生產(chǎn)的主導地位，其次是多晶硅電池。從1998年開始，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。非晶硅從20世紀80年代初開始商業(yè)化生產(chǎn)，但由于效率低和光衰減問題，市場份額增加不快。CdTe電池從20世紀80年代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，除技術(shù)因素外，人們對Cd的毒性的疑慮也是原因之一。CIS電池的產(chǎn)業(yè)化進程比較緩慢，原因是生產(chǎn)過程中化學劑量比難以控制，大面積均勻性和重復性較差。2.2太陽能電池的未來發(fā)展趨勢

2.2.1商業(yè)化趨勢

1998年以前，單晶硅電池占市場主導地位，其次是多晶硅電池。

從1998年起，多晶硅電池開始超過單晶硅躍居第一。非晶硅從80年代初開始商業(yè)化，由于效率低和光衰減問題，市場份額先高后低。

CdTe電池從80年代中期開始商業(yè)化生產(chǎn)，市場份額增加緩慢，Cd的毒性是原因之一；銅銦硒薄膜太陽電池（CIS電池）的產(chǎn)業(yè)化進程比較緩慢，生產(chǎn)工藝難于控制，In是稀有元素；

Sanyo公司a-Si/c-Si電池商業(yè)化僅兩三年，發(fā)展迅速2.2.2技術(shù)發(fā)展趨勢2.2.2.1硅基電池:

硅是地球上豐度第二大元素，資源豐富(以石英砂形式存在)；

環(huán)境友好；

電池效率高，性能穩(wěn)定；

工藝基礎成熟。

硅基電池是目前光伏界研究開發(fā)的重點、熱點晶硅電池的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)硅基薄膜電池研究開發(fā)方向：晶硅電池:①提高電池/組件效率高效鈍化技術(shù)：TiO2，SiNx,H、SiO2,a-Si。。高效陷光技術(shù)：減反射，表面織構(gòu)化，背反射等，選擇性發(fā)射區(qū)(前)，背表面場(BSF)，細柵或者單面技術(shù)，高效封裝技術(shù)－最佳封裝材料的折射率等。②簡化、改進工藝－自動化、環(huán)保、低成本；如硅片薄化及其工藝，③材料的國產(chǎn)化和提高性能；硅基薄膜電池①低溫過程(PECVD)<300℃，非晶、微晶、微非迭層－效率、穩(wěn)定性，柔性襯底②低溫過程>900℃,多晶硅基薄膜電池，廉價襯底；2.2.2.2化合物電池

CIGS電池：提高效率，大面積重復性，S代SeCdTe電池：提高效率，大面積重復性

Gratzel電池－高效染料，固體或準固態(tài)電解質(zhì)，提高效率，大面積重復性有機電池－高效電子受體和給體以及材料，提高效率

3.新型概念電池：量子點、量子阱電池，中間帶光伏電池，帶隙遞變迭層電池等，尚處在理論探索、概念研究和驗證階段。3.太陽能電池定義和分類太陽能電池，又稱光伏器件，是一種利用光生伏特效應把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。它是太陽能光伏發(fā)電的基礎和核心。太陽能電池分類按結(jié)構(gòu)分類同質(zhì)結(jié)太陽電池異質(zhì)結(jié)太陽電池肖特基太陽電池采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體（通常是硅或鍺）基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區(qū)稱PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

P型半導體（P指positive，帶正電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的三價元素組成，會在半導體內(nèi)部形成帶正電的空穴；

N型半導體（N指negative，帶負電的）：由單晶硅通過特殊工藝摻入少量的五價元素組成，會在半導體內(nèi)部形成帶負電的自由電子。

在P型半導體中有許多帶正電荷的空穴和帶負電荷的電離雜質(zhì)。在電場的作用下，空穴是可以移動的，而電離雜質(zhì)（離子）是固定不動的。N型半導體中有許多可動的負電子和固定的正離子。當P型和N型半導體接觸時，在界面附近空穴從P型半導體向N型半導體擴散，電子從N型半導體向P型半導體擴散。在PN結(jié)上外加一電壓，如果P型一邊接正極，N型一邊接負極，電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向界面運動，使空間電荷區(qū)變窄，電流可以順利通過。如果N型一邊接外加電壓的正極，P型一邊接負極，則空穴和電子都向遠離界面的方向運動，使空間電荷區(qū)變寬，電流不能流過。這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?/p>

PN結(jié)

（1）同質(zhì)結(jié)太陽能電池：由同一種半導體材料一個或多個pn結(jié)的太陽電池，如p-n結(jié)太陽電池，p-n結(jié)砷化鎵太陽電池等。

（2）異質(zhì)結(jié)太陽能電池：由兩種不同半導體材料在相接界面上構(gòu)成劃質(zhì)結(jié)太陽電池，如氧化錫一硅、硫化鎘一硫化亞銅、砷化鎵一硅異質(zhì)結(jié)太陽電池等。若構(gòu)成異質(zhì)結(jié)的兩種材料的晶格匹配比較好，則稱為異質(zhì)面太陽電池，如砷化鎵一砷化鋁鎵異質(zhì)面太陽電池等。

（3）肖特基結(jié)太陽能電池：由金屬和半導體接觸形成肖特基勢壘的電池，簡稱MS電池。已發(fā)展成金屬－氧化物－半導體（MOS）、金屬一絕緣體一半導體（MIS）太陽電池等。

（4）復合結(jié)太陽能電池：由兩個或多個結(jié)形成的太陽電池。如由一個（MIS）太陽電池和一個p-n結(jié)硅電池疊合而形成高效MISNP復合結(jié)硅太陽電池，其效率已達22%。復合結(jié)太陽電池往往做成級聯(lián)型，把寬禁帶材料放在頂區(qū)，吸收陽光中的高能光子，用窄禁帶材料吸收低能光子，使整個電池的光譜響應拓寬。砷化鋁鎵—砷化鎵—硅太陽電池的效率高達31%。

按材料分類硅太陽電池敏化納米晶太陽電池有機化合物太陽電池塑料太陽電池無機化合物半導體太陽電池無機化合物半導體電池

系指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導體特性的化合物半導體材料制成的電池，如硫化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、硒銦銅太陽能電池、磷化銦太陽能電池等?；衔锇雽w主要包括：①晶態(tài)無機化合物(如Ⅲ—V族化合物半導體砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、銻化銦等，Ⅱ—Ⅵ族化合物半導體硫化鎘、硫化鋅等)及其固溶體(如鎵鋁砷、鎵砷磷等)；②非晶態(tài)無機化合物，如玻璃半導體；③有機化合物，如有機半導體；④氧化物半導體，如MnO、Cr2O3、FeO、Fe2O3、Cu2O等。硅太陽能電池

系指以硅為基體材料的太陽能電池，有單晶硅電池、多晶硅電池等。多晶硅太陽能電池又有片狀多晶硅電池、鑄錠多晶硅電池、筒狀多晶硅太陽能電池、球狀多晶硅電池等多種。有機半導體太陽能電池

系指用含有一定數(shù)量的碳－碳鍵且導電能力介于金屬和絕緣體之間的半導體材料制成的電池。有機半導體可分為3類：①分子晶體，如萘、有機蒽、嵌二萘、酞花菁銅等；②電荷轉(zhuǎn)移絡合物，如芳烴—鹵素絡合物、芳烴—金屬鹵化物等；③高聚物。

有機半導體材料的特殊性能來自其共軛結(jié)構(gòu)，由于共軛結(jié)構(gòu)上的π-π*躍遷所需能量較小，光子的能量即可將其激發(fā)—而光致電子躍遷，正是光電轉(zhuǎn)化過程的基礎。與硅、鍺等無機半導體材料類似，有機半導體材料可以分為P型和N型兩種，這兩種類型的材料分別對空穴和電子進行選擇性傳輸。

雖然同樣稱為“半導體材料”，但有機半導體與無機半導體中的電荷傳輸機制有很大不同。無機半導體中，原子之間以共價鍵結(jié)合，形成剛性的穩(wěn)定晶格以及連續(xù)的導帶和價帶；導帶中的電子（N型）或者價格中的空穴（P型）在電場作用下定向傳輸就形成了電流。而有機半導體中，共軛分子之間只以范德華力相結(jié)合，相互作用弱，材料的體相中不能形成像無機半導體那樣的導帶、價帶結(jié)構(gòu)。

以P型高分子半導體材料為例，在高分子鏈上的一些位置，共軛結(jié)構(gòu)上因缺少電子而形成帶正電的極化子（Polaron）或者雙極化子（Bipolaron）。這些正電荷可以在高分子鏈上移動，也可以通過“跳躍（Hopping）”傳輸?shù)狡渌叻肿渔溕?。對于小分子有機半導體來說，因為分子體積小，分子內(nèi)電荷的移動對材料整體電荷傳輸來說并不重要，分子間的電荷跳躍就決定了材料的傳輸能力。

如前所述，當有機半導體材料吸收光子，其π軌道上的電子就會躍遷到π*反鍵軌道上。仍然與無機半導體不同的是，被激發(fā)后的電子仍舊與所在分子緊密結(jié)合，并不能像無機半導體內(nèi)的激發(fā)電子一樣自由運動。此時被激發(fā)的分子中含有一個能量較高的電子，這就可以理解為一對正負電荷以庫侖力結(jié)合在一起。這樣的分子稱為“激子（Exciton）”。激子的存在亦是有機半導體的重要特征，也是有機太陽有電池與無機太陽能電池的最顯著區(qū)別，因此也有人將有機太陽能電池稱為“激子型太陽能電池（Excitonicsolarcells）”。2簡介染料敏化納米晶TiO2太陽能電池（DSSC）是一種化學太陽能電池，它的光電轉(zhuǎn)換原理不同于傳統(tǒng)硅系太陽能電池，具有制做工藝簡單、對原材料純度要求低、成本低等優(yōu)點。其理論光電轉(zhuǎn)換效率達到33%，這高于傳統(tǒng)的半導體太陽能電池。DSC中敏化染料通過能級間電子的躍遷吸收太陽能光，通過與納晶多孔TiO2膜的電子傳遞完成電子的轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過十多年的發(fā)展，DSSC制備技術(shù)已逐漸走向成熟，當前其光電轉(zhuǎn)換效率已達到11%，在使用固體電解時其也具有5%以的光電轉(zhuǎn)換效率，具備了實用化的基本條件。染料敏化納米晶TiO2太陽能電池1研究背景

20世紀70年代發(fā)展起來的硅、砷化鎵等高效光伏電池，其光電轉(zhuǎn)化效率通常大于18％，但是這些窄禁帶的半導體有嚴重的光腐蝕現(xiàn)象，制備它們需要高純的晶體材料，成本昂貴，一般只能在航天器等有限的范圍使用，難以成為解決能源危機、大規(guī)模使用的可替代品。而TiO2等寬禁帶半導體相對具有較高的光、熱穩(wěn)定性，具有更強的應用前景，因其只能夠捕獲紫外光，必須借助染料敏化將其光譜響應拓寬到可見光區(qū)。3基本結(jié)構(gòu)及工作原理3.1基本結(jié)構(gòu)

一個典型的DSSC（主要包括：納米多孔TiO2半導體薄膜、透明導電玻璃、染料光敏化劑、空穴傳輸介質(zhì)和對電極。

多孔納米TiO2薄膜是電池的光陽極，其性能的好壞直接關(guān)系到太陽能電池的效率。這種薄膜一般是用TiO2納米晶微粒涂覆在導電玻璃表面，在高溫條件下燒結(jié)而形成多孔電極。

透明導電玻璃一般為ITO玻璃或TCO玻璃，起著傳輸和收集電子的作用。

染料光敏化劑是吸附在多孔電極表面的，要求具有很寬的可見光譜吸收及具有長期的穩(wěn)定性。目前最好的是金屬釕（Ru）的聯(lián)吡啶配合物系列及金屬鋨（Os）的聯(lián)吡啶配合物系列。

空穴傳輸介質(zhì)主要起氧化還原作用和電子傳輸作用。根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，分為液態(tài)電解質(zhì)DSSC，溶膠—凝膠（準固態(tài)）DSSC和全固態(tài)DSSC。

對電極一般使用鉑電極或具有單電子層的鉑電極，主要用于收集電子。3.2工作原理

太陽光照射在電極上時，有機染料分子（Dye）獲得能量，受到了激發(fā)，躍遷至激發(fā)態(tài)（Dye*）；激發(fā)態(tài)迅速向半導體電池的TiO2導帶內(nèi)注入電子，同時自身轉(zhuǎn)化為染料氧化態(tài)（Dye＋）；注入導帶中的電子富集到導電基底，并通過外電路流向?qū)﹄姌O，形成電流。與此同時，處于氧化態(tài)的染料分子（Dye＋）由電解質(zhì)溶液中的電子供體提供電子而回到基態(tài)，染料分子得以再生。電解質(zhì)溶液中的電子供體在提供電子以后，擴散到對電極，重新得到電子而還原。從而，完成一個光電化學反應循環(huán)，也使電池各組分都回到初始狀態(tài).塑料太陽能電池科學家把太陽能電池嵌入塑料薄膜的表面,制成了太陽能發(fā)電薄膜。這種太陽能發(fā)電薄膜成本低，轉(zhuǎn)換效率遠遠高于普通太陽能電池,可以有多種用途。采用塑料太陽能電池能給我們的生活提供極大的方便。比如，塑料太陽能電池可以嵌入手提電腦的外殼中，只要有光照，使用者可以隨時給自己的電腦充電；塑料太陽能電池也可以裝在電動汽車的車身上，為電動機提供電能;如果在房屋的屋頂上蓋一層太陽能發(fā)電薄膜,我們就能夠過上用電自給自足的日子了。

這種技術(shù)尤其適合我國西部地區(qū)的人們使用。那里干旱少雨,可是擁有十分充足的陽光，用上這種便宜的塑料太陽能電池,人們就不再為沒有電而犯愁了。按光電轉(zhuǎn)換機理傳統(tǒng)太陽電池激子太陽電池有機半導體材料通過光吸收形成的激子（電子與空穴成對存在的分子激發(fā)狀態(tài)）在pn結(jié)的界面上擴散，由于pn結(jié)界面的能級不同，使得電子與空穴發(fā)生分離。4.太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理太陽能電池的結(jié)構(gòu)太陽能電池發(fā)電原理當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P－N結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。太陽簡介

太陽是離地球最近的一顆恒星,也是太陽的中心天體,它的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的99.865%。太陽也是太陽系里惟一自己發(fā)光的天體,它給地球帶來光和熱。如果沒有太陽光的照射,地面的溫度將會很快地降低到接近絕對零度。由于太陽光的照射,地面平均溫度才會保持在14℃左右,形成了人類和絕大部分生物生存的條件。除了原子能、地熱和火山爆發(fā)的能量外,地面上大部分能源均直接或間接同太陽有關(guān)。太陽是一個主要由氫和氦組成的熾熱的氣體火球,半徑為6.96×105km(是地球半徑的109倍，質(zhì)量約為1.99×1027t(是地球質(zhì)量的33萬倍)，平均密度約為地球的1/4。太陽表面的有效溫度為5762K,而內(nèi)部中心區(qū)域的溫度則高達幾千萬度。太陽的能量主要來源于氫聚變成氦的聚變反應,每秒有6.57×1011kg的氫聚合生成氦,連續(xù)產(chǎn)生3.90×1023kW能量。這些能量以電磁波的形式,以3×105km/s的速度穿越太空射向四面八方。地球只接受到太陽總輻射的二十二億分之一,即有1.77×1014kW達到地球大氣層上邊緣(“上界”),由于穿越大氣層時的衰減,最后約8.5×1013kW到達地球表面,這個數(shù)量相當于全世界發(fā)電量的幾十萬倍。根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算,氫的儲量足夠維持600億年,而地球內(nèi)部組織因熱核反應聚合成氦,它的壽命約為50億年,因此,從這個意義上講,可以說太陽的能量是取之不盡、用之不竭的。

（1）光熱利用它的基本原理是將太陽輻射能收集起來，通過與物質(zhì)的相互作用轉(zhuǎn)換成熱能加以利用。通常根據(jù)所能達到的溫度和用途的不同，而把太陽能光熱利用分為低溫利用（＜200℃）、中溫利用（200～800℃）和高溫利用（＞800℃）。目前低溫利用主要有太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽房、太陽能溫室、太陽能空調(diào)制冷系統(tǒng)等，中溫利用主要有太陽灶、太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置等，高溫利用主要有高溫太陽爐等。

（2）太陽能發(fā)電未來太陽能的大規(guī)模利用是用來發(fā)電。利用太陽能發(fā)電的方式有多種。目前已實用的主要有以下兩種。①光—熱—電轉(zhuǎn)換。即利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。一般是用太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的蒸汽，然后由蒸汽驅(qū)動氣輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。前一過程為光—熱轉(zhuǎn)換，后一過程為熱—電轉(zhuǎn)換。②光—電轉(zhuǎn)換。其基本原理是利用光生伏打效應將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，它的基本裝置是太陽能電池。

（3）光化利用這是一種利用太陽輻射能直接分解水制氫的光—化學轉(zhuǎn)換方式。

（4）光生物利用通過植物的光合作用來實現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換成為生物質(zhì)的過程。目前主要有速生植物（如薪炭林）、油料作物和巨型海藻。太陽能利用基本方式可以分為如下四大類5.太陽能電池的生產(chǎn)工藝導電玻璃膜切割清洗

檢測鍍鋁電極沉積PN結(jié)老化檢測封裝成品檢測太陽能電池組件生產(chǎn)工藝

組件線又叫封裝線，封裝是太陽能電池生產(chǎn)中的關(guān)鍵步驟，沒有良好的封裝工藝，多好的電池也生產(chǎn)不出好的組件板。電池的封裝不僅可以使電池的壽命得到保證，而且還增強了電池的抗擊強度。產(chǎn)品的高質(zhì)量和高壽命是贏得可客戶滿意的關(guān)鍵，所以組件板的封裝質(zhì)量非常重要。

流程：

1、電池檢測—2、正面焊接并檢驗—3、背面串接并檢驗—4、敷設（玻璃清洗、材料切割、玻璃預處理、敷設）—5、層壓—6、去毛邊（去邊、清洗）—7、裝邊框（涂膠、裝角鍵、沖孔、裝框、擦洗余膠）—8、焊接接線盒—9、高壓測試—10、組件測試—外觀檢驗—11、包裝入庫

工藝簡介電池測試：由于電池片制作條件的隨機性，生產(chǎn)出來的電池性能不盡相同，所以為了有效的將性能一致或相近的電池組合在一起，所以應根據(jù)其性能參數(shù)進行分類；電池測試即通過測試電池的輸出參數(shù)（電流和電壓）的大小對其進行分類。以提高電池的利用率，做出質(zhì)量合格的電池組件。正面焊接：是將匯流帶焊接到電池正面（負極）的主柵線上，匯流帶為鍍錫的銅帶，我們使用的焊接機可以將焊帶以多點的形式點焊在主柵線上。焊接用的熱源為一個紅外燈（利用紅外線的熱效應）。焊帶的長度約為電池邊長的2倍。多出的焊帶在背面焊接時與后面的電池片的背面電極相連

背面串接：背面焊接是將36片電池串接在一起形成一個組件串，我們目前采用的工藝是手動的，電池的定位主要靠一個膜具板，上面有36個放置電池片的凹槽，槽的大小和電池的大小相對應，槽的位置已經(jīng)設計好，不同規(guī)格的組件使用不同的模板，操作者使用電烙鐵和焊錫絲將“前面電池”的正面電極（負極）焊接到“后面電池”的背面電極（正極）上，這樣依次將36片串接在一起并在組件串的正負極焊接出引線。

層壓敷設：背面串接好且經(jīng)過檢驗合格后，將組件串、玻璃和切割好的EVA、玻璃纖維、背板按照一定的層次敷設好，準備層壓。玻璃事先涂一層試劑（primer）以增加玻璃和EVA的粘接強度。敷設時保證電池串與玻璃等材料的相對位置，調(diào)整好電池間的距離，為層壓打好基礎。（敷設層次：由下向上：玻璃、EVA、電池、EVA、玻璃纖維、背板）。

組件層壓：將敷設好的電池放入層壓機內(nèi)，通過抽真空將組件內(nèi)的空氣抽出，然后加熱使EVA熔化將電池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷卻取出組件。層壓工藝是組件生產(chǎn)的關(guān)鍵一步，層壓溫度層壓時間根據(jù)EVA的性質(zhì)決定。我們使用快速固化EVA時，層壓循環(huán)時間約為25分鐘。固化溫度為150℃。

修邊：層壓時EVA熔化后由于壓力而向外延伸固化形成毛邊，所以層壓完畢應將其切除。

裝框：類似與給玻璃裝一個鏡框；給玻璃組件裝鋁框，增加組件的強度，進一步的密封電池組件，延長電池的使用壽命。邊框和玻璃組件的縫隙用硅酮樹脂填充。各邊框間用角鍵連接。

焊接接線盒：在組件背面引線處焊接一個盒子，以利于電池與其他設備或電池間的連接。

高壓測試：高壓測試是指在組件邊框和電極引線間施加一定的電壓，測試組件的耐壓性和絕緣強度，以保證組件在惡劣的自然條件（雷擊等）下不被損壞。

組件測試：測試的目的是對電池的輸出功率進行標定，測試其輸出特性，確定組件的質(zhì)量等級。組件高效和高壽命如何保證：

高轉(zhuǎn)換效率、高質(zhì)量的電池片；高質(zhì)量的原材料，例如：高的交聯(lián)度的EVA、高粘結(jié)強度的封裝劑（中性硅酮樹脂膠）、高透光率高強度的鋼化玻璃等；合理的封裝工藝員工嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L；由于太陽電池屬于高科技產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中一些細節(jié)問題，一些不起眼問題如應該戴手套而不戴、應該均勻的涂刷試劑而潦草完事等都是影響產(chǎn)品質(zhì)量的大敵，所以除了制定合理的制作工藝外，員工的認真和嚴謹是非常重要的。

6.太陽能電池的應用上世紀60年代，科學家們就已經(jīng)將太陽電池應用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電，上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對于光伏發(fā)電這種如此清潔和直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，在眾多領域中也大顯身手。如：太陽能庭院燈、太陽能發(fā)電戶用系統(tǒng)、村寨供電的獨立系統(tǒng)、光伏水泵（飲水或灌溉）、通信電源、石油輸油管道陰極保護、光纜通信泵站電源、海水淡化系統(tǒng)、城鎮(zhèn)中路標、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發(fā)電并入城市用電系統(tǒng)及邊遠地區(qū)自然界村落供電系統(tǒng)納入發(fā)展方向。太陽電池與建筑系統(tǒng)的結(jié)合已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化趨勢用戶太陽能電源1.小型電源10-100W不等，用于邊遠無電地區(qū)如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等

太陽能電源太陽能逆變器2.3-5KW家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；太陽能機場電站即將在?？诿捞m機場實現(xiàn)

陽光電源承建的上海世博會大型光伏電站成功并網(wǎng)發(fā)電3.光伏水泵：解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉

交通領域如航標燈、交通/鐵路信號燈、交通警示/標志燈、路燈、高空障礙燈、高速公路/鐵路無線電話亭、無人值守道班供電等。通訊/通信領域太陽能無人值守微波中繼站、光纜維護站、廣播/通訊/尋呼電源系統(tǒng)；農(nóng)村載波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機、士兵GPS供電等。石油、海洋、氣象領域石油管道和水庫閘門陰極保護太陽能電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應急電源、海洋檢測設備、氣象/水文觀測設備等風云三號氣象衛(wèi)星的太陽能電池光伏航標燈海洋氣象監(jiān)測標

家庭燈具電源如庭院燈、路燈、手提燈、野營燈、登山燈、垂釣燈、黑光燈、割膠燈、節(jié)能燈等。光伏電站10KW-50MW獨立光伏電站、風光（柴）互補電站、各種大型停車廠充電站等。用于“神六”的太陽能電池

生物電池第七節(jié)生物電池生物電池的定義：

生物電池，是利用碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪等為原料，通過酶分解來發(fā)電的一種裝置，即是將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，從原理上來講，生物質(zhì)能能夠直接轉(zhuǎn)化為電能。主要是因為生物體內(nèi)存在與能量代謝關(guān)系密切的氧化還原反應。這些氧化還原反應彼此影響，互相依存，形成網(wǎng)絡，進行生物的能量代謝。生物電池的分類：單步反應型生物電池（生物體內(nèi)的氧化還原物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應制成的生物電池）生物電池多步反應型生物電池（生物體內(nèi)外的氧化還原物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應制成的生物電池）細胞型生物電池（生物體細胞外的氧化還原物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應制成的生物電池）生物電池的分類：生物電池的工作原理：以索尼公司開發(fā)的新型生物電池為例生物電池包括一個由糖分解酶和介質(zhì)組成的陽極，一個由氧再生酶和介質(zhì)組成的陰極，這兩端由玻璃紙分隔開。陽極釋放電子，氫離子通過下面的過程通過氧化酶的作用從葡萄糖中分解出來。

葡萄糖葡糖酸內(nèi)酯＋2H+＋2e-

氫離子穿過隔離器向陰極移動，一旦抵達陰極氫離子和電子就和氧結(jié)合產(chǎn)生水。

(1/2)O2＋2H+＋2e-H2O

在這一過程電化學反應當中，電子穿過外部的線路產(chǎn)生電能。陽極陰極糖分解酶介質(zhì)介質(zhì)氧再生酶玻璃紙葡萄糖葡萄酸內(nèi)酯生物電池發(fā)展史：

a.1911年,英國植物學家Potter用酵母和大腸桿菌進行實驗，宣布利用微生物可以產(chǎn)生電流，生物電池研究由此開始；

b.40多年之后,美國空間科學研究促進了生物電池的發(fā)展，當時研究的目標是開發(fā)一種用于空間飛行器中、以宇航員生活廢物為原料的生物燃料電池；

c.從60年代后期到70年代，直接生物電池逐漸成為研究的中心。熱點之一是開發(fā)可植入人體、作為心臟起搏器或人工心臟等人造器官電源的生物電池；

d.80年代后，氧化還原介體(Mediator)的廣泛應用，相關(guān)的研究大多集中于陽極；

e.近年，開發(fā)無隔膜的生物電池；生物電池的最新成果：

2007年8月，Sony公司宣布開發(fā)出一種新型的生物電池，這種電池通過使用生化酶作為催化劑，將碳水化合物（糖）轉(zhuǎn)換為電能輸出。開創(chuàng)了生物電池的新紀元。50mw/40cc

2009年，在FCexpo(國際氫燃料電池展)上，Sony公司演示了喝“可樂”的生物電池，所發(fā)的電力帶動與馬達連接的風扇。70mw/28cc索尼發(fā)明的這種系統(tǒng)使用了有效的固化酶和相關(guān)介質(zhì)，同時保持了陽極上酶的活性。該公司還開發(fā)出了一種新型陰極結(jié)構(gòu)，可以有效地為電極供應氧，又能夠確保適當?shù)乃?。正是應用了這兩種技術(shù)優(yōu)化的電解液，才實現(xiàn)了高能量的輸出。生物電池的優(yōu)點：生物電池為人們所重視，有它的獨特優(yōu)點：

a.原料廣泛，可以利用一般電池所不能利用的多種有機、無機物質(zhì)作為原料，甚至可利用光合作用或直接利用污水等。

b.操作條件溫和，由于酶的催化作用，一般是在常溫、常壓、接近中性的環(huán)境中工作的。

c.對環(huán)境友好，不含普通電池所有的酸堿，重金屬等污染物，不會對環(huán)境造成危害，是典型的綠色電池。生物電池的應用：

航天工業(yè)

電子工業(yè)

化學、化工研究

便攜式移動電源

醫(yī)療應用領域影響生物燃料電池性能的主要因素：

a.燃料氧化速率；

b.電子由催化劑到電極的傳遞速率；

c.回路的電阻；

d.質(zhì)子通過膜傳遞到陰極的速率以及陰極上的還原速率；

e.對周邊環(huán)境敏感；

解決辦法：

a.對酶的外殼進行修飾，再將其固定到電極表面從而實現(xiàn)電子的直接傳遞；

b.直接用導電聚合物固定酶，使導電聚合物深入到酶的活性中心附近，從而大大縮短電子傳遞的距離，實現(xiàn)電子的直接傳遞；

c.通過在電極表面進行貴金屬納米粒子、以及碳納米管等物質(zhì)的修飾，利用納米粒子的尺寸效應、表面效應等奇妙的特性來實現(xiàn)直接的、快速的電子傳遞；生物電池的發(fā)展前景

生物電池的潛在市場是巨大的，因為它原料的廣泛可取性以及能夠提供清潔高效的能量。生物電池技術(shù)的適用性和靈活性將會擴展其潛在的市場，這個市場包括從小型的便攜式動力裝置到中等規(guī)模的工業(yè)用動力裝置。全世界范圍內(nèi)進行的產(chǎn)品研發(fā)活動正努力把可能變?yōu)楝F(xiàn)實。不久的將來，生物電池將作為心臟起搏器的電源而被廣泛的應用于醫(yī)療領域。隨著世界航天事業(yè)的不斷發(fā)展進步，生物電池的作用極大的凸現(xiàn)出來。在綠色環(huán)保電池逐漸取代傳統(tǒng)電池的過程中，生物電池的發(fā)展前景樂觀且巨大。第八節(jié)電解與電鍍一電解原理二氯堿工業(yè)一、電解飽和食鹽水反應原理二、離子交換膜法制燒堿一、電解原理二、銅的電解精煉三、電鍍銅四、電解硫酸銅溶液五、電解水三電鍍其應用一、電解原理：1、電解氯化銅溶液：電解CuCl2溶液；并檢驗Cl2