第12章 電源和能量儲存技術(shù)-《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教程》

第12章電源和能量

儲存技術(shù)

學(xué)習(xí)任務(wù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)

能量儲存（電池）技術(shù)

無線供電技術(shù)

Clicktoaddtitleinhere123本章主要涉及：第12章電源和能量儲存技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的能源技術(shù)研究內(nèi)容中：首當(dāng)其沖的是能量存儲技術(shù)。從現(xiàn)在的情況看，能量存儲已經(jīng)成為電子設(shè)備小型化以及精巧化過程中最受重視的技術(shù)障礙之一。當(dāng)今的嵌入式無線技術(shù)，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及主動式RFID標(biāo)簽，都在忍受著笨重的大容量電池組所帶來的負(fù)擔(dān)，并且在容忍著短暫生命周期內(nèi)頻繁充電或者頻繁更換電池所帶來的種種尷尬。第12章電源和能量儲存技術(shù)未來的物聯(lián)網(wǎng)要想成功的實(shí)現(xiàn)讓真正的嵌入式、數(shù)字化物品參與其中，就必須在微型高容量能量存儲技術(shù)上取得突破。而從實(shí)現(xiàn)方式上，一種解決方案就是跳過存儲能量的諸多問題，直接從環(huán)境中汲取能源，從而使物品的電池可以更加小巧，并且有能力進(jìn)行自動的充電行為。第12章電源和能量儲存技術(shù)在能源技術(shù)領(lǐng)域的道路還很漫長。不過，今天的工作正為我們明確前進(jìn)的方向：首先，能量采集技術(shù)應(yīng)該不僅僅局限在原有的能量源上，像震動、太陽輻射、熱能等等，都應(yīng)該成為我們接下來嘗試的方向。其次，微型發(fā)電技術(shù)將成為我們下一個新興的能源技術(shù)領(lǐng)域，將為下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供全新的發(fā)展機(jī)遇。

12.1能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)從廣義上講，采集能源包括各種來源，比如:動能（風(fēng)、波、重力、振動等）、電磁能（光伏、電磁波）、熱能（太陽熱能、地?zé)?、溫度變化、燃燒等）、原子能（原子核能、放射性衰變等）生物能（生物燃料、生物質(zhì)能等）。12.1能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)1.能量采集（1）從體熱采集能量：典型的能源采集系統(tǒng)包括眾多組件，如轉(zhuǎn)換、薄膜電池中的暫存器、大量復(fù)雜的能源管理電路、模擬轉(zhuǎn)換器以及超低功耗微處理器(MCU)。

（2）太陽能光伏收集：采用大型太陽能電池板進(jìn)行。每100平方毫米光伏電池可產(chǎn)生大約1MW電能。能源效率約為10%，容量比約為15%～20%。12.1能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)（3）動能收集系統(tǒng)：可產(chǎn)生毫瓦級的電能。基本動能收集技術(shù)包括：①一個彈簧上的物體；②將線性運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的設(shè)備；③壓電電池。（4）熱電收集技術(shù)：使用賽貝克(Seebeck)效應(yīng)，即在兩個金屬或半導(dǎo)體之間存在溫差的情況下而產(chǎn)生電壓。

熱電發(fā)電機(jī)(TEG)由熱并聯(lián)與電串聯(lián)的熱電堆構(gòu)成。12.1能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)上述幾種主流微能量采集來源都有幾個共同之處。他們都通常產(chǎn)生不穩(wěn)定電壓，而并非目前電子電路仍廣泛使用的

3.3V穩(wěn)定電壓。此外，這三種技術(shù)所提供的都是間斷電源，甚至有時根本就不能提供電源。因此，設(shè)計(jì)工程師需要使用電源轉(zhuǎn)換器與混合能源系統(tǒng)來解決這些問題。12.1能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)2.電源管理在輸入電壓不穩(wěn)定且較低的情況下，實(shí)現(xiàn)低成本和低能耗濾波的基本方法有幾種。當(dāng)然，選擇哪種方法需要權(quán)衡利弊。比如，采用較大的開關(guān)可以減少電阻損耗，但更大的開關(guān)會要求更大的開啟電源，不過該開關(guān)可能無法提供。再比如，通過降低開關(guān)頻率可以提高效率，但這要求使用較大的濾波器。

12.1能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)重要的一點(diǎn)是，對于僅能產(chǎn)生幾毫瓦功率的系統(tǒng)來說，管理電源所消耗的開銷可能等于甚至大于系統(tǒng)所產(chǎn)生的。通常，像給MOSFET柵極電容充電這樣簡單的任務(wù)可能消耗大量的電能。在上述這些情況下，可以考慮使用電流源柵極充電，而不是電壓源柵極沖電。這種方案的結(jié)果是，電路將變得更加復(fù)雜，但電能損耗和電路泄漏將得到更好的控制。12.1.2光伏技術(shù)太陽能是一種輻射能，太陽能發(fā)電意味著將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的過程確切地說應(yīng)叫光伏效應(yīng)。不需要借助其它任何機(jī)械部件，光線中的能量被半導(dǎo)體器件的電子獲得，于是就產(chǎn)生了電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是太陽能電池。12.1.2光伏技術(shù)太陽能電池的主要材料是高純硅，是經(jīng)過特殊的提純處理制作。太陽能電池只要受到陽光或燈光的照射，能夠把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽闺娏鲝囊环搅飨蛄硪环剑话憔涂砂l(fā)出相當(dāng)于所接收光能>10~20%的電來。一般光線越強(qiáng)，產(chǎn)生的電能就越多。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，一般在它的上面都蒙上一層防止光反射的膜，使太陽能板的表面呈紫色?/p>

12.1.2光伏技術(shù)它的工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)就是當(dāng)物體受光照時，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓,叫做光生電壓。這種現(xiàn)象就是著名的光生伏打效應(yīng)。使PN結(jié)短路，就會產(chǎn)生電流。

12.1.3生物發(fā)電生物發(fā)電就是人類利用能夠產(chǎn)生強(qiáng)生物電的生物，并收集、轉(zhuǎn)化利用其產(chǎn)生的生物電的一種發(fā)電方式。生物發(fā)電原理

12.1.3生物發(fā)電1.基本概念生物質(zhì)是植物通過光合作用生成的有機(jī)物，包括植物、動物排泄物，垃圾及有機(jī)廢水等，是生物質(zhì)能的載體，是唯一的可儲存和可運(yùn)輸?shù)目稍偕茉?。從化學(xué)的角度上看，生物質(zhì)的組成是C－H化合物，它與常規(guī)的礦物能源如石油、煤等是同類，（煤和石油都是生物質(zhì)經(jīng)過長期轉(zhuǎn)換而來的），所以它的特性和利用方式與礦物燃料有很大的相似性。

12.1.3生物發(fā)電2.能源意義生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，在整個能源系統(tǒng)占有重要地位生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源之一，就其能源當(dāng)量而言，是僅次于煤、油、天然氣而列第四位的能源，在世界能源消耗中，生物質(zhì)能占總能耗的14%，但在發(fā)展中國家占40%以上。采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料，主要用于生活、供熱和發(fā)電等方面。

12.1.4壓電技術(shù)

說到壓電發(fā)電技術(shù)，我們先要回溯到1880年。當(dāng)年居里兄弟在石英晶體中發(fā)現(xiàn)：晶體受到機(jī)械應(yīng)力的作用時，其表面會產(chǎn)生電荷；反之，當(dāng)外加電場于晶體時，晶體會產(chǎn)生形變。前者被命名為正壓電效應(yīng)，后者則被稱之為逆壓電效應(yīng)。12.1.4壓電技術(shù)100多年過去，壓電學(xué)和壓電材料經(jīng)過了石英晶體、鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷、弛豫鐵電單晶等幾個里程碑的發(fā)展，各種壓電傳感器、換能器和驅(qū)動器在水聲、超聲、激光、紅外、電光等技術(shù)領(lǐng)域中成為不可替代的重要器件。

12.1.4壓電技術(shù)壓電發(fā)電正是這樣一種技術(shù)——利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而將如人體走路的踩踏、機(jī)械振動，甚至噪音等形式的振動能量收集起來，經(jīng)過能量轉(zhuǎn)換--整流--存儲--供電等諸多環(huán)節(jié)，應(yīng)用于生活。這種能量收集系統(tǒng)幫助我們利用曾被白白耗費(fèi)的能源。

12.1.4壓電技術(shù)1.壓電效應(yīng)及其理論解釋

當(dāng)壓電體發(fā)生機(jī)械形變時，其極化強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致表面吸附的自由電荷隨之而變。如果將兩個表面裝上電極并用導(dǎo)線接通，變化的自由電荷便從一個極板移至另一極板，形成電流。如果壓電體上加交變電場，則壓電體就會交替出現(xiàn)伸長和壓縮，即發(fā)生機(jī)械振動。

12.1.4壓電技術(shù)壓電效應(yīng)的解釋：在離子性的晶體中，正、負(fù)離子有規(guī)則地交錯配置，構(gòu)成結(jié)晶點(diǎn)陣。這樣就形成了固有電矩，在晶體表面出現(xiàn)了極化電荷，又由于晶體暴露在空氣中，經(jīng)過一段時間，這些電荷便被降落到晶面上的、空氣中的異號離子所中和，因此極化面電荷和電矩都不會顯現(xiàn)。12.1.4壓電技術(shù)但是，當(dāng)晶體發(fā)生機(jī)械形變時，晶格就會發(fā)生變化。這樣，電矩產(chǎn)生變化，表面極化電荷數(shù)值也發(fā)生改變。于是，面上正電荷或負(fù)電荷都有了可以測出的增量(增加或減少)，這種增量就是壓電效應(yīng)的電量。12.1.4壓電技術(shù)2.壓電效應(yīng)的應(yīng)用我們把根據(jù)壓電效應(yīng)制作出的材料叫壓電陶瓷，利用它可以制作石英諧振器，陶瓷濾波器、陷波器、鑒頻器、拾音器、發(fā)聲器，超聲波發(fā)聲器等器件，還可以作為電子打火機(jī)、煤氣點(diǎn)火栓的電源。12.1.4壓電技術(shù)（1）石英晶體諧振器在石英晶體上加一交變電壓，就會產(chǎn)生機(jī)械變形振動，同時機(jī)械變形振動又會產(chǎn)生交變的電場。由于石英晶片具有固有的振動頻率(稱為石英晶體的諧振頻率)，因此，當(dāng)交變電壓的頻率等于石英晶片的諧振頻率時，這種振動就會突然增加，而在電路中反映出諧振特性。這種現(xiàn)象稱為壓電諧振效應(yīng)。12.1.4壓電技術(shù)根據(jù)壓電諧振效應(yīng)可以制作出石英諧振器，這種諧振器因具有極高的品質(zhì)因數(shù)和極高的穩(wěn)定性。已經(jīng)被應(yīng)用于對講機(jī)，電子手表、電視機(jī)、電子儀器等產(chǎn)品中作壓控振蕩器使用。用石英諧振器來控制振蕩頻率的振蕩器稱為晶體振蕩器，它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10數(shù)量級。12.1.4壓電技術(shù)（2）發(fā)電地板、發(fā)電公路、發(fā)電行囊和其他2010年上海世博會上，日本館展示了壓電發(fā)電地板，參觀者輕輕幾步就可將電燈點(diǎn)亮.日本的NEC等公司聯(lián)合開發(fā)了新型發(fā)光道路標(biāo)識，在公路下埋有壓電發(fā)電裝置，使其驅(qū)動LED發(fā)光指示牌，基本達(dá)到可自供電的實(shí)用水平。以色列技術(shù)研究院也在普通路面的瀝青中植入大量的壓電晶體，通過汽車駛過時的壓電轉(zhuǎn)換來發(fā)電。據(jù)測算，1公里的路面能產(chǎn)生約100～400千瓦的電力。

12.1.4壓電技術(shù)此外，為了提高能量獲得效率，研發(fā)人員一般在設(shè)計(jì)時將壓電、熱電、光伏等多種能量同時收集利用。如美國軍方正在開發(fā)一種士兵邊行軍邊發(fā)電的裝置。士兵們可對所攜帶的電子設(shè)備進(jìn)行自助供電，從而不必?cái)y帶重達(dá)10公斤的儲能電池，大幅度減少行軍負(fù)重。

12.1.4壓電技術(shù)目前壓電換能器大多采用PZT-5H型壓電陶瓷，結(jié)構(gòu)形狀有陶瓷片、陶瓷懸臂梁、壓電鼓、壓電鐃鈸以及多層陶瓷結(jié)構(gòu)等。單個壓電發(fā)電單元一般可輸出電壓5～20伏，電流為毫安級，功率達(dá)到幾十毫瓦級，能滿足網(wǎng)絡(luò)傳感器等低耗能電子產(chǎn)品的供能需求。為了增大發(fā)電功率，必須采用多個元件并聯(lián)方式，以提高裝置的輸出電流。12.1.4壓電技術(shù)3）納米發(fā)電機(jī)科學(xué)家研究了一種壓電納米發(fā)電機(jī)，以氧化鋅納米線為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在納米尺度上把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。納米線的直徑一般小于100納米，但其長度可以達(dá)到數(shù)微米，如此大的長徑比使得很小的力便可將納米線彎曲而產(chǎn)生電勢差。這意味著只要動就能發(fā)電，無須行走，微弱的肌肉運(yùn)動也可以帶動納米發(fā)電機(jī)。12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

1.能量的形式能量以多種形式出現(xiàn)，包括輻射、物體運(yùn)動、處于激發(fā)狀態(tài)的原子、分子內(nèi)部及分子之間的應(yīng)變力。能量的形式可以用不同的方法來描述。聲能主要是分子前后有規(guī)律的運(yùn)動；熱能是分子的無規(guī)則運(yùn)動；重力能產(chǎn)生于分隔物體的相互吸引；儲存在機(jī)械應(yīng)力中的能量，則是由于分離的電子相互吸引的結(jié)果。

12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

能量即不能產(chǎn)生也不能消失，能量轉(zhuǎn)換是指從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式或是從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體。不論什么時候，一個地方或一種形式的能量減少了，另一個地方或另一種形式就會增加同樣數(shù)量的能量。在一個系統(tǒng)中不論發(fā)生漸變還是驟變，只要沒有能量進(jìn)入或者離開這個系統(tǒng)，那么系統(tǒng)內(nèi)部各種能量立和將不發(fā)生變化。12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

所有這些形式的重要意義在于其能量是相等的，也就是說一種形式的能量可以轉(zhuǎn)變成另一種形式。宇宙中發(fā)生的絕大部分事件，例如，恒星的崩潰和爆炸、生物的生長和毀滅、機(jī)器和計(jì)算機(jī)的操作中都包括能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

2.能量之間轉(zhuǎn)換的各種類型及方法①電能轉(zhuǎn)化熱能電能轉(zhuǎn)化熱能一般通過熱電阻或熱輻射，例如家用的電熱爐，是在熱阻絲內(nèi)通過大量電流使熱阻絲產(chǎn)生大量熱能，通過熱輻射傳導(dǎo)給周圍環(huán)境。也可以通過微波裝置，使電能轉(zhuǎn)化成微波，通過直接的熱輻射轉(zhuǎn)為熱能12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

②熱能轉(zhuǎn)化電能至今為止，人們還沒想出很有效率的方法可以讓熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，似乎人們只發(fā)明了電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化的裝置，所以，如果想任何形式能量轉(zhuǎn)換為電能，必須先轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。但是，有的物質(zhì)如陶瓷等，在溫度變化時可以產(chǎn)生電勢差，進(jìn)而產(chǎn)生微弱電能，但無法用于發(fā)電。

12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

③機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能通過切割電磁圈的磁感線，可以使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在電機(jī)中，機(jī)械能和電能可以互逆轉(zhuǎn)換。

④光能轉(zhuǎn)化電能可以通過光電效應(yīng)使光照射在金屬表面而輻射出電子，通過這種方法，人們設(shè)計(jì)了太陽能板，太陽能板是通過陽光照射硅晶體的PN結(jié)產(chǎn)生空穴電壓產(chǎn)生電能的，光能就是最受關(guān)注的清潔能源之一。

12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

⑤化學(xué)能轉(zhuǎn)化電能通過化學(xué)反應(yīng)使得正電子和負(fù)電子分別在陽極和陰極匯聚，其實(shí)這也是電池的充電過程。

⑥電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能借助電磁感應(yīng)效應(yīng)，人們設(shè)計(jì)了電機(jī)，可以使電能輕松轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在電機(jī)中，電能和機(jī)械能可以互逆轉(zhuǎn)換。12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

⑦化學(xué)能轉(zhuǎn)化熱能可以通過核裂變使得熵值大量增加，進(jìn)而產(chǎn)生大量熱能傳導(dǎo)出去。在核裂變過程中，不僅產(chǎn)生大量熱能，還產(chǎn)生大量光能及機(jī)械能等。還有一種方法就是通過可燃物的燃燒，伴隨著光能的同時也產(chǎn)生大量熱能。

12.1.5能量轉(zhuǎn)換裝置

⑧熱能轉(zhuǎn)化機(jī)械能至今人們想到的最好方法，只有通過加熱水進(jìn)而通過水蒸氣驅(qū)動機(jī)械做功，自從瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)以來，人們一直沿用這個方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

⑨機(jī)械能轉(zhuǎn)化熱能機(jī)械做功摩擦可以產(chǎn)生熱能，但一般效率不高，而且在實(shí)際應(yīng)用中無法通過這樣的轉(zhuǎn)化大量提供熱能，只作為機(jī)械能的能量損耗而已。⑩光能轉(zhuǎn)化熱能光能在照射到物體時，自然就會伴隨熱能的傳導(dǎo)，但不同波段的光波導(dǎo)熱能力不同。

12.2.1薄膜電池薄膜電池顧名思義就是將一層薄膜制備成太陽能電池，其用硅量極少，更容易降低成本，目前已經(jīng)能進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主要有3種：硅基薄膜太陽能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽能電池（CIGS）、碲化鎘薄膜太陽能電池（CdTe）。

12.2.1薄膜電池1.薄膜電池發(fā)電原理薄膜電池發(fā)電原理與晶硅相似，當(dāng)太陽光照射到電池上時，電池吸收光能產(chǎn)生”光生電子—空穴對”在電池內(nèi)建電場的作用下，光生電子和空穴被分離，空穴漂移到P側(cè)，電子漂移到N側(cè)，形成光生電動勢，外電路接通時，產(chǎn)生電流。

12.2.1薄膜電池薄膜太陽電池可以使用在價格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)μm，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽能電池大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽能電池90%以上)，目前轉(zhuǎn)換效率最高以可達(dá)13%。12.2.1薄膜電池薄膜電池太陽電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳闲钥梢灾谱鞒煞瞧矫鏄?gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，在薄膜太陽電池制造上，則可使用各式各樣的沉積(deposition)技術(shù)，一層又一層地把p-型或n-型材料長上去，常見的薄膜太陽電池有非晶硅、CuInSe2(CIS)、CuInGaSe2(CIGS)、和CdTe..等。

12.2.1薄膜電池2.薄膜電池的優(yōu)點(diǎn)（1）成本低

（2）弱光性好（3）適合與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電組件(BIPV)

3.薄膜電池的缺點(diǎn)

（1）效率低

（2）穩(wěn)定性差

（3）相同的輸出電量所需太陽能電池面積增加

12.2.1薄膜電池4.發(fā)展趨勢近年來,業(yè)界對以薄膜取代硅晶制造太陽能電池在技術(shù)上已有足夠的把握。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所于去年2月已經(jīng)研制出目前世界上太陽能轉(zhuǎn)換率最高的有機(jī)薄膜太陽能電池，其轉(zhuǎn)換率已達(dá)到現(xiàn)有有機(jī)薄膜太陽能電池的4倍。

12.2.2鋰離子電池鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池。是現(xiàn)代高性能電池的代表。12.2.2鋰離子電池鋰離子電池原理結(jié)構(gòu)

12.2.2鋰離子電池1.鋰系電池概述

鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險性大，很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在2%以下。沒有記憶效應(yīng)。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%，而且輸出功率大。使用壽命長。不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。

12.2.2鋰離子電池2.作用機(jī)理鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。12.2.2鋰離子電池在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

12.2.2鋰離子電池（1）充電鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到設(shè)定的值，而最終完成充電。

12.2.2鋰離子電池鋰離子電池過度充放電會對正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。12.2.2鋰離子電池充電量等于充電電流乘以充電時間，在充電控制電壓一定的情況下，充電電流越大（充電速度越快），充電電量越小。電池充電速度過快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng)，同樣會造成電池容量不足，實(shí)際是電池的部分電極活性物質(zhì)沒有得到充分反應(yīng)就停止充電，這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

12.2.2鋰離子電池（2）放電第一次充放電，如果時間能較長(一般3-4小時足夠)，那么可以使電極盡可能多的達(dá)到最高氧化態(tài)（充足電），放電（或使用）時則強(qiáng)制放到規(guī)定的電壓、或直至自動關(guān)機(jī)，如此能激活電池使用容量。但在鋰離子電池的平常使用中，可以隨時根據(jù)需要充電，充電時既不必要一定充滿電為止，也不需要先放電。象首次充放電那樣的操作，只需要每隔3--4個月進(jìn)行連續(xù)的1--2次即可。

12.2.2鋰離子電池3.鋰離子電池(Li--ion)可充電鋰離子電池是目前手機(jī)、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會損壞電池或使之報(bào)廢)。因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在±1%之內(nèi)，目前各大半導(dǎo)體器件廠已開發(fā)出多種鋰離子電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。

12.2.2鋰離子電池鋰離子電池的額定電壓，因?yàn)榻瓴牧系淖兓话銥?.7V，磷酸鐵鋰（以下稱磷鐵）正極的則為3.2V。充滿電時的終止充電電壓一般是4.2V，磷鐵3.65V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V～3.0V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同，一般為3.0V，磷鐵為2.5V)。低于2.5V（磷鐵2.0V）繼續(xù)放電稱為過放，過放對電池會有損害。

12.2.2鋰離子電池鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是：1）電壓高2）比能量大3）循環(huán)壽命長4）安全性能好：無公害，無記憶效應(yīng)5）自放電小6)可快速充放電7)工作溫度范圍高，

12.2.2鋰離子電池4.新發(fā)展①聚合物鋰離子電池聚合物鋰離子電池是在液態(tài)鋰離子電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，以導(dǎo)電材料為正極，碳材料為負(fù)極，電解質(zhì)采用固態(tài)或凝膠態(tài)有機(jī)導(dǎo)電膜組成，并采用鋁塑膜做外包裝的最新一代可充鋰離子電池。由于性能的更加穩(wěn)定，因此它也被視為液態(tài)鋰離子電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品。12.2.2鋰離子電池②動力鋰離子電池動力鋰離子電池指容量在3AH以上的鋰離子電池。動力鋰離子電池分高容量和高功率兩種類型。高容量電池可用于電動工具、自行車、滑板車、礦燈、醫(yī)療器械等；高功率電池主要用于混合動力汽車及其它需要大電流充放電的場合。根據(jù)內(nèi)部材料的不同，相應(yīng)地分為液態(tài)動力鋰離子電池和聚合物理離子動力電池兩種。

12.2.2鋰離子電池③高性能鋰電池為了突破傳統(tǒng)鋰電池的儲電瓶頸，研制一種能在很小的儲電單元內(nèi)儲存更多電力的全新鐵碳儲電材料。但是此前這種材料的明顯缺點(diǎn)是充電周期不穩(wěn)定，在電池多次充放電后儲電能力明顯下降。12.2.2鋰離子電池為此，改用一種新的合成方法。用幾種原始材料與一種鋰鹽混合并加熱，由此生成了一種帶有含碳納米管的全新納米結(jié)構(gòu)材料。這種方法在納米尺度材料上創(chuàng)建了儲電單元和導(dǎo)電電路。

目前這種穩(wěn)定的鐵碳材料的儲電能力已達(dá)到現(xiàn)有儲電材料的兩倍，而且生產(chǎn)工藝簡單，成本較低，而其高性能可以保持很長時間。

12.2.3印刷電池研究人員通過利用納米技術(shù)將普通鋰離子電池縮小并封閉到一張纖維素紙張上，采用絲網(wǎng)印刷方式生產(chǎn)，類似于制造T恤衫。單層比頭發(fā)絲還薄。印刷電池與普通電池有很大的不同。由于其輕薄的特性，可以將其嵌入銀行卡。電池不含有汞，十分環(huán)保。12.2.3印刷電池其電壓為1.5伏，屬于正常電壓范圍?？梢詫㈦姵囟询B起來提高電壓，得到3伏、4.5伏和6伏的電池，為任何電子產(chǎn)品提供電能。薄膜和印刷電池靈活的形狀和超低的重量將使這種新功能廣泛應(yīng)用于智能卡、RFID和傳感器等電子產(chǎn)品中，提高這些產(chǎn)品的有用性和市場規(guī)模。12.2.4光電池①晶體硅光電池晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用P型（或n型）硅襯底，通過磷（或硼）擴(kuò)散形成Pn結(jié)而制作成的，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏市場上的主導(dǎo)產(chǎn)品。采用埋層電極、表面鈍化、強(qiáng)化陷光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術(shù)，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反射膜、凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉(zhuǎn)換效率有較大提高。

12.2.4光電池單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為Φ10至20cm的圓片，年產(chǎn)能力46MW/a。目前主要課題是繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，開發(fā)帶狀硅光電池技術(shù)，提高材料利用率。國際公認(rèn)最高效率在AM1.5條件下為24%，空間用高質(zhì)量的效率在AM0條件約為13.5-18%，地面用大量生產(chǎn)的在AM1條件下多在11-18%之間。

12.2.4光電池②非晶硅光電池

a-Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成的。由于分解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1μm厚的薄膜，易于大面積化（0.5m×1.0m），成本較低，多采用pin結(jié)構(gòu)。其商品化產(chǎn)量連續(xù)增長，全球市場用量每月在1千萬片左右，居薄膜電池首位。

12.2.4光電池③多晶硅光電池

p-Si（多晶硅，包括微晶）光電池沒有光致衰退效應(yīng)，材料質(zhì)量有所下降時也不會導(dǎo)致光電池受影響，是國際上正掀起的前沿性研究熱點(diǎn)。在單晶硅襯底上用液相外延制備的p-Si光電池轉(zhuǎn)換效率為15.3%，經(jīng)減薄襯底，加強(qiáng)陷光等加工，可提高到23.7%.

12.2.4光電池④銅銦硒光電池

CIS（銅銦硒）薄膜光電池已成為國際光伏界研究開發(fā)的熱門課題，它具有轉(zhuǎn)換效率高（已達(dá)到17.7%），性能穩(wěn)定，制造成本低的特點(diǎn)。CIS光電池一般是在玻璃或其它廉價襯底上分別沉積多層膜而構(gòu)成的，厚度可做到2-3μm，吸收層CIS膜對電池性能起著決定性作用。

12.2.4光電池⑤碲化鎘光電池

CdTe（碲化鎘）也很適合制作薄膜光電池，其理論轉(zhuǎn)換效率達(dá)30%，是非常理想的光伏材料。可采用升華法、電沉積、噴涂、絲網(wǎng)印刷等10種較簡便的加工技術(shù)，在低襯底溫度下制造出效率12%以上的CdTe光電池，小面積CdTe光電池的國際先進(jìn)水平光電轉(zhuǎn)換率為15.8%.

12.2.4光電池⑥其它材料光電池InP（磷化銦）光電池的抗輻射性能特別好，效率達(dá)17-19%，多用于空間方面。采用SiGe單晶襯底，研制出在AM0條件下效率大于20%的GaAs/Si異質(zhì)結(jié)外延光電池，最高效率23.3%。Si/Ge/GaAs結(jié)構(gòu)的異質(zhì)外延光電池,適當(dāng)變化結(jié)構(gòu)，可使太陽光中各種波長的光子能量都得到有效利用，GaAs基多層結(jié)構(gòu)光電池效率已接近40%。

12.3