第七章其他類(lèi)型的電池

鎳氫電池密封鎳氫電池內(nèi)部壓力高達(dá)4MPa。鎳氫電池現(xiàn)主要應(yīng)用于混合電動(dòng)車(chē)。HEV市場(chǎng)占56%，零售市場(chǎng)（包括遙控車(chē)、玩具、家用電器、數(shù)碼攝像機(jī)）占24%，無(wú)繩電話(huà)占11%，其他市場(chǎng)為9%。世界鎳氫電池主要由中國(guó)和日本企業(yè)生產(chǎn)，占全球產(chǎn)量的95%以上。全球鎳氫電池70%以上在中國(guó)生產(chǎn)，中國(guó)鎳氫電池企業(yè)主要包括超霸、豪鵬、比亞迪、環(huán)宇、科力遠(yuǎn)、力可興、三普、迪生、三捷、量能、格瑞普等。日本企業(yè)松下、湯淺、三洋已將小型鎳氫電池生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到中國(guó)。鎳氫電池由氫氧化鎳正極，儲(chǔ)氫合金負(fù)極，隔膜紙，電解液，鋼殼，頂蓋，密封圈等組成。在圓柱形電池中，正負(fù)極用隔膜紙分開(kāi)卷繞在一起，然后密封在鋼殼中的。在方形電池中，正負(fù)極由隔膜紙分開(kāi)后疊成層狀密封在鋼殼中。鎳氫電池是以氫氧化鎳作為正極，儲(chǔ)氫合金作為負(fù)極，氫氧化鉀溶液做電解液。儲(chǔ)氫合金材料AB5:LiNi5,MnNi5,CaNi5,AB2:ZrMn2,TiCr2,ZrV2,ZrMn2,AB:TiFe,TiCo,TiNi

A2B:Mg2Ni,Mg2Cu儲(chǔ)氫合金的共同特點(diǎn)是在低溫低壓下能夠可逆地吸收、釋放氫。工作原理其正極為氧化鎳，負(fù)極為氫電極。它的工作狀態(tài)可以劃分為3種：正常工作狀態(tài)、過(guò)充電狀態(tài)和過(guò)放電狀態(tài)。在不同工作狀態(tài)下，電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是不同的。鎳氫電池設(shè)計(jì)時(shí)，容量實(shí)際上是由正極限制的，負(fù)極容量設(shè)計(jì)過(guò)剩，以保證過(guò)充電時(shí)候，正極產(chǎn)生的氧氣可以到負(fù)極反應(yīng)，電池的內(nèi)壓不會(huì)有明顯升高。鎳氫電池的優(yōu)、缺點(diǎn)它的初始成本較高，電池自放電速度較大，以及有爆炸的可能性。這種電池的突出優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，1977年起在地球同步軌道條件下工作壽命超過(guò)10年。此外，它承受過(guò)充電和過(guò)放電的能力很強(qiáng)。鎳氫電池的應(yīng)用前景鎳氫電池的前景十分樂(lè)觀，隨著研究工作的進(jìn)展，最終將在航天領(lǐng)域內(nèi)取代鎘鎳電池電動(dòng)車(chē)？長(zhǎng)期不用的電池保存和恢復(fù)方法鎳鎘電池和鎳氫電池特性不同，保存方法不同。鎳鎘電池應(yīng)將電用完保存，所以一般新鎳鎘電池是基本沒(méi)有電的，需要自己來(lái)充。采用正確的充電方法，大概需要充放3－5次才能將電池恢復(fù)到最佳狀態(tài)。鎳氫電池要長(zhǎng)期保存前，應(yīng)該充電到80％左右保存。因此新的鎳氫電池有一些電，因?yàn)閺S(chǎng)家已經(jīng)預(yù)充電，防止運(yùn)輸周轉(zhuǎn)時(shí)間太長(zhǎng)，而電池沒(méi)電受到影響。長(zhǎng)期保存的鎳氫電池用的時(shí)候，先將余電用完，再用正確方法充放2－3次就可以恢復(fù)到最佳狀態(tài)。鋅-空氣電池原理

鋅空氣電池是一種金屬－空氣電池，以電極電位較負(fù)的金屬鋅作負(fù)極，空氣中的氧或純氧作正極活性物質(zhì)，中性或者堿性的電解質(zhì)水溶液作為電解液。堿性鋅-空氣電池可以表達(dá)為：（–）Zn|KOH|O2(空氣)（+）該類(lèi)型電池的反應(yīng)原理為：陽(yáng)極（鋅負(fù)極）反應(yīng)：Zn2e=Zn2+

陰極（空氣電極）反應(yīng)：1/2O2+H2O+2e=2OH-總的電池反應(yīng)：Zn+1/2O2=ZnO氧在空氣電極中進(jìn)行還原時(shí)，首先要通過(guò)溶解進(jìn)入電解液，在液相中擴(kuò)散到電極表面后進(jìn)行化學(xué)吸附，最后再進(jìn)行電化學(xué)的還原反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)要地表示為：O2O2溶

O2擴(kuò)

O2吸

OH－

實(shí)驗(yàn)中空氣電極采用的是疏水透氣結(jié)構(gòu)。該電極由防水透氣層和多孔催化層加集流導(dǎo)電網(wǎng)組成。

溶解擴(kuò)散化學(xué)吸附電化學(xué)還原電池在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則

1、電流密度分布均勻2、合適的工作電極面積3、合適的電解液體積4、電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便

用電子天平精確稱(chēng)量配比一定的二氧化錳、活性炭、膠體石墨1、催化層的制備：電池制備將稱(chēng)量好的混合物放入燒杯中，加無(wú)水乙醇進(jìn)行分散，在60℃水浴中加熱，邊攪拌邊添加PTFE乳液，加熱至混合物成稀面團(tuán)狀。恒溫水域鍋對(duì)輥機(jī)取出稀面團(tuán)，在對(duì)輥機(jī)上反復(fù)對(duì)輥10次左右，使PTFE逐漸纖維化直至成為柔軟而有韌性的薄膜。2、防水層的制備：將配比一定的聚四氟乙烯（PTFE）和無(wú)水硫酸鈉混合，制備工藝與催化層的制備類(lèi)似，制得防水層。將制得的防水層放入蒸餾水中，在70℃時(shí)反復(fù)清洗三次，以除去無(wú)水硫酸鈉。濾紙塑料薄膜防水層導(dǎo)電網(wǎng)催化層下壓頭上壓頭空氣電極成型過(guò)程圖3、將制備好的催化層切下放在鎳網(wǎng)上，另一側(cè)放防水層，外邊包上濾紙（防止催化層或防水膜粘在壓片機(jī)上），在一定壓力下冷壓，即制成空氣電極。其形狀、排列方式及成型過(guò)程如圖所示。壓片機(jī)簡(jiǎn)易的鋅－空氣電池模型將制備出的空氣電極和鋅片及KOH電解液組成鋅－空氣電池將制備出的鋅－空氣電池，進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)超級(jí)電容器超級(jí)電容器應(yīng)用背景優(yōu)良的脈沖充放性能大容量?jī)?chǔ)能性能比能量大于2.5Wh/kg比功率大于500W/kg循環(huán)壽命長(zhǎng)（>105次）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)無(wú)記憶效應(yīng)免維護(hù)對(duì)環(huán)境無(wú)污染高功率軍事裝備的激發(fā)器軍用坦克、卡車(chē)瞬間啟動(dòng)數(shù)據(jù)記憶存儲(chǔ)系統(tǒng)系統(tǒng)主板備用電源電動(dòng)玩具車(chē)主電源太陽(yáng)能電池輔助電池通訊設(shè)施、計(jì)算機(jī)備用電源電動(dòng)汽車(chē)電源能量存儲(chǔ)裝置比較元器件比能量Wh/kg比功率W/kg充放電次數(shù)普通電容器<0.2104~106>106超級(jí)電容器0.2~20.0102~104>105充電電池20~200<500<104超級(jí)電容器以及電極材料分類(lèi)雙電層電容器（EDLC）法拉第準(zhǔn)電容器混合類(lèi)型電容器碳素材料：成功商業(yè)化，性?xún)r(jià)比高。金屬氧化物材料：RuO2為主，導(dǎo)電性好，比容量大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，價(jià)格高，污染。導(dǎo)電聚合物材料：工作電壓高但電阻大。

雜多酸：具有固體電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，使用方便。碳基超級(jí)電容器(EDLC)原理多孔碳、活性碳理論比容量:若比表面積為1000m2/g，則電容器比容量為250F/g?；钚蕴迹和ㄟ^(guò)活化處理后，微孔數(shù)量增加，比表面積增大。3000m2/g的活性碳，實(shí)際表面利用率僅為10％左右。Anon:2000m2/g，水系280F/g，非水系120F/g。微孔60～70％，中孔和大孔20～30％。＜2nm的微孔是不能形成雙電層?；钚蕴祭w維基體材料是瀝青和聚合物材料：人造纖維、酚醛樹(shù)脂、聚丙烯腈。比容量為280F/g，比功率大于500W/kg。

平均細(xì)孔孔徑為2～5nm，細(xì)孔容積0．3～1．5ml/g，比表面積達(dá)1500～3000m2/g。松下電器：導(dǎo)電性能優(yōu)良的酚醛活性碳纖維。Hiroyuki等采用熱壓成型法制備的高密度活性碳纖維，其密度為0.2～0.8g/cm3，這種材料的電子導(dǎo)電性遠(yuǎn)高于活性碳粉末電極，雙電層電容器的電容值隨高密度活性碳纖維密度的提高而增大。

碳凝膠材料性能質(zhì)輕、大比表面積、中孔發(fā)達(dá)、導(dǎo)電性良好、電化學(xué)性能穩(wěn)定的納米級(jí)的中孔碳材料?？紫堵蔬_(dá)80％～90％，孔徑3～20nm，比表面積400～1100m2/g，密度范圍0.03～0.8g/cm3，電導(dǎo)率10～25S/cm。

克服使用活性碳粉末和纖維作電極時(shí)存在的內(nèi)部接觸電阻大，含有大量不能被電解液浸入的微孔，比表面積得不到充分利用的問(wèn)題，是制備高比能量、高比功率電化學(xué)電容器的理想電極材料。

碳凝膠制備有機(jī)凝膠的形成：得到空間網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的凝膠超臨界干燥：不破壞凝膠結(jié)構(gòu)而把空隙內(nèi)溶劑脫除碳化過(guò)程：脫去揮發(fā)分又不破壞凝膠結(jié)構(gòu)美國(guó)的R.W.Pelaka：間苯二酚（R）和甲醛（F）

RF凝膠，成本高

密胺（M）和甲醛（F）

MF凝膠，密度大，比表面積未降低

熱塑性酚醛樹(shù)脂（P）和糠醛（F）

PF凝膠，成本低，周期短碳納米管材料特點(diǎn)碳納米管材料的優(yōu)越性：比表面積大、微孔集中在一定范圍內(nèi)(2～5nm)，應(yīng)具有比活性碳電極高得多的比表面利用率。Niu報(bào)道其基于碳納米管薄膜電極的比表面積為430m2/g時(shí)，比容量可達(dá)40F/g，碳納米管電極的電容量達(dá)到理論雙電層電容量的57％。中空結(jié)構(gòu)。如能使電解質(zhì)溶液浸潤(rùn)碳納米管內(nèi)腔，電容量將明顯提高。最高容量可達(dá)l13F/g(0.001Hz)，在0.1Hz時(shí)，其容量可達(dá)108F/g，在100Hz時(shí)還有49F/g，這個(gè)轉(zhuǎn)變頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于活性炭的1Hz。體現(xiàn)了相對(duì)高頻放電的優(yōu)點(diǎn)，這同樣也預(yù)示著由碳納米管為電極材料做的電容器具有高的能量密度，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也確實(shí)證明它具有＞8kW/kg的能量密度。碳納米管改性利用剩余的SP3雜化軌道引入官能團(tuán)，產(chǎn)生法拉第準(zhǔn)電容。E.Frackowiak證實(shí)表面官能團(tuán)參與氧化還原反應(yīng)故會(huì)形成準(zhǔn)電容，比電容從80F/g增至137F/g。E．Frackowiak:摻金屬鋰的碳納米管電極在LiClO4電解液中在1．5～3V之間充放電時(shí)，表現(xiàn)出良好且獨(dú)特的高壓下的雙電層電容效應(yīng)，容量可達(dá)30F/g(非水電解液)。K.Jurewicz在碳納米管上包覆導(dǎo)電聚合物吡咯，利用吡咯良好的導(dǎo)電性和碳納米管的開(kāi)口、中孔網(wǎng)絡(luò)以及優(yōu)異的離子導(dǎo)電性，設(shè)計(jì)一種復(fù)合物電極材料用于超級(jí)電容器。在純碳納米管電極的電容量為50F/g情況下，這種復(fù)合電極的電容量可達(dá)163F/g。摻雜75％的Ru02·xH20時(shí)，電容器的比容量可達(dá)107F/cm3，即600F/g?？讖椒植紝?duì)性能影響Denyang

Qu研究結(jié)果表明，孔徑越大，電化學(xué)吸附速度越快。GambyJ采用中孔孔容和總孔容比為41％的粉末活性碳獲得80F/g的單電極比容。Soshi

Shiraishi

制備了中孔活性炭纖維比容明顯大于普通活性炭纖維。LeeJinwoo等平均孔徑為2.3nm的中孔碳，制成電容器的能量密度和功率密度特性都明顯優(yōu)于分子篩碳。另外，具有更多2nm以上孔徑的碳電極其低溫容量減小得更慢。中孔碳材料制備方法主要有：催化活化法，混合聚合物碳化法，模板碳化法。

表面特性對(duì)性能影響A．Yoshida等研究結(jié)果表明，隨著ACF表面含氧官能團(tuán)含量的增加，電容器的表觀漏電流增加。K．Hiratsuka等研究發(fā)現(xiàn)碳電極表面氧含量越多的，容量降低也越多。X.Liu在研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)電化學(xué)氧化處理后碳電極容量從135F/g增加到171F/g，氧化處理后進(jìn)行還原處理，容量增加更明顯，增加到215F/g。認(rèn)為主要是由于碳材料氧化后表面含氧官能團(tuán)含量增加而引起的。從制備高容量、耐高壓、穩(wěn)定性好的電容器角度出發(fā)，希望活性碳材料表面的官能團(tuán)有一個(gè)合適的比例。

展望比表面積與孔分布：向著提高有效比表面積和可控微孔孔徑的方向發(fā)展。表面性能、比容量與穩(wěn)定性：表面官能有一個(gè)合適的比例；須開(kāi)發(fā)新的活性碳原料、活化技術(shù)。比表面積與內(nèi)阻：從材料本身結(jié)構(gòu)出發(fā)。太陽(yáng)能電池主要內(nèi)容太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷史

太陽(yáng)能電池定義和分類(lèi)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)工藝太陽(yáng)能電池的應(yīng)用

太陽(yáng)能電池的發(fā)展歷史

1954年世界第一塊實(shí)用化太陽(yáng)能電池在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世，幷首先應(yīng)用于空間技術(shù)。當(dāng)時(shí)太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率為8％。1973年世界爆發(fā)石油危機(jī)，從此之后，人們普遍對(duì)于太陽(yáng)能電池關(guān)注，近10幾年來(lái)，隨著世界能源短缺和環(huán)境污染等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，太陽(yáng)能電池的清潔性、安全性、長(zhǎng)壽命，免維護(hù)以及資源可再生性等優(yōu)點(diǎn)更加顯現(xiàn)。世界太陽(yáng)能電池發(fā)展的主要節(jié)點(diǎn)1954美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明單晶硅太陽(yáng)能電池，效率為6％1955第一個(gè)光伏航標(biāo)燈問(wèn)世，美國(guó)RCA發(fā)明GaAs太陽(yáng)能電池1958太陽(yáng)能電池首次裝備于美國(guó)先鋒1號(hào)衛(wèi)星，轉(zhuǎn)換效率為8％。1959第一個(gè)單晶硅太陽(yáng)能電池問(wèn)世。1960太陽(yáng)能電池首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。1974突破反射絨面技術(shù)，硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到18％。1975非晶硅及帶硅太陽(yáng)能電池問(wèn)世1978美國(guó)建成100KW光伏電站1980單晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到20％多晶硅為14.5％，GaAs為22.5％1986美國(guó)建成6.5KW光伏電站1990德國(guó)提出“2000光伏屋頂計(jì)劃”1995高效聚光GaAs太陽(yáng)能電池問(wèn)世，效率達(dá)32％。1997美國(guó)提出“克林頓總統(tǒng)百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃，日本提出“新陽(yáng)光計(jì)劃”1998單晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到24.7％，荷蘭提出“百萬(wàn)光伏屋頂計(jì)劃”2000世界太陽(yáng)能電池總產(chǎn)量達(dá)287MW，歐洲計(jì)劃2010年生產(chǎn)60億瓦光伏電池1998年以前，單晶硅電池占世界光伏生產(chǎn)的主導(dǎo)地位從1998年開(kāi)始，多晶硅電池開(kāi)始超過(guò)單晶硅躍居第一。非晶硅從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始商業(yè)化生產(chǎn)，但由于效率低和光衰減問(wèn)題，市場(chǎng)份額增加不快。太陽(yáng)能電池定義和分類(lèi)太陽(yáng)能電池，又稱(chēng)光伏器件，是一種利用光生伏特效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。它是太?yáng)能光伏發(fā)電的基礎(chǔ)和核心。太陽(yáng)能電池分類(lèi)按結(jié)構(gòu)分類(lèi)同質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池肖特基太陽(yáng)電池按材料分類(lèi)硅太陽(yáng)電池敏化納米晶太陽(yáng)電池有機(jī)化合物太陽(yáng)電池塑料太陽(yáng)電池?zé)o機(jī)化合物半導(dǎo)體太陽(yáng)電池按光電轉(zhuǎn)換機(jī)理傳統(tǒng)太陽(yáng)電池激子太陽(yáng)電池太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)太陽(yáng)能電池發(fā)電原理光線(xiàn)照射在太陽(yáng)能電池的界面層，具有足夠能量的光子可以將P型硅和N型硅中的電子激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子向帶正電的N區(qū)，空穴向帶負(fù)電的P區(qū)運(yùn)動(dòng)。在P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生一個(gè)可測(cè)試的電壓。開(kāi)路電壓的典型數(shù)值為0.5-0.6V。產(chǎn)生電子-空穴對(duì)越多，電流越大。太陽(yáng)能電池的應(yīng)用上世紀(jì)60年代，科學(xué)家們就已經(jīng)將太陽(yáng)電池應(yīng)用于空間技術(shù)——通信衛(wèi)星供電，上世紀(jì)末，在人類(lèi)不斷自我反省的過(guò)程中，對(duì)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，