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什么是太陽能高能電池?

新能源的開發是始終備受關注的話題,最近出現了一種叫高能電池的新能源電池,那高能電池是什么呢?

高能電池是指具有較高比能量的電池。比較耐用和供電量高電池比能量,在電池反應中,1千克反應物質所產生的電能稱為電池的理論比能量。

高能電池

據在國際頂級期刊《科學》(Science)雜志上報道,來自中國南開大學的電池研究團隊在太陽能電池這一領域有了最新的研究進展——他們制備了一種基于有機半導體材料的太陽能電池,其能量轉化效率(把光能轉化成電能的效率)達到了17.3%,放置166天后性能僅有輕微衰減(約4%)。

17.3%是什么概念?可以說,它超越了目前同類有機太陽能電池效率14%的最高值,創下了新的世界紀錄——在提高能源轉化率方面,每個百分點的進步都極其不易。

太陽能電池這個概念,或許大家都不陌生。但具體說到制造太陽能電池的材料,可能了解的人就不多了。目前,已經商品化的太陽能電池板大多由無機半導體材料制造,它具有原材料易獲取(比如硅)、吸收光譜寬、能量轉化效率高等優勢。但事實上,無機半導體材料并不是將太陽能轉化為電能的完美解決方案,原因在于——它們太脆了,科學家們必須不斷去開發和尋找可替代的解決方案。

有機太陽能電池一直是近年來學術界和工業界的研究熱點。此外,科學家們經過分析后普遍認為,如果繼續優化電池器件構型和材料選擇,有機太陽能電池的能量轉化效率理論上可以突破25%。尤其在過去的十年間,有機太陽能電池更是經歷了躍遷式的發展,其性能已經可以與商品化的無機硅電池媲美,像高處的王冠一樣鼓舞著科學家們不斷地接近它。

不過,我們距離真正的有機太陽能電池的商品化還有一段距離,仍有一些問題需要克服——比如,很多有機材料在太陽光的照射下并不那么穩定、制作過程中使用的溶劑毒性較大,以及大規模生產工藝尚未成熟。

高能電池應用主要有:遙感勘測、航天航空、海洋勘探、地質調研

高能電池的種類

①以鎂作負極活性物質的鎂干高能電池:其結構與鋅-錳干電池基本相同。鎂的標準電極電勢比較低,電化學當量小,具備了作為高能電池負極活性物質的優良條件。例如鎂-錳干電池的實際比能量是鋅-錳干電池的4倍,工作時電壓平穩,在低溫下也具有較好的工作能力,并且能耐高溫貯存。其缺點是有電壓滯后現象(接通后需要經一段時間,電壓才能上升至終止電壓值),滯后時間約為2~3秒;由于腐蝕作用,鎂電極電流效率低;不宜于小電流長時間的間歇放電。

②金屬-空氣高能電池:以空氣中的氧氣作為正極活性物質,金屬作為負極活性物質的電池。

③鋰-非水電解質溶液高能電池:鋰的電化學當量約為鎂的二分之一,因此作為高能電池的負極,鋰比鎂更優越。但鋰與水要激烈反應,須采用有機溶劑或非水的無機溶劑來配制電解質溶液,再加入無機鹽使之導電。使用的正極材料主要有固體氟化物、氯化物、氧化物、硫化物。這些電池的理論比能量大都在1000瓦時/千克以上。其實際比能量也比較高。例如鋰-氟化銅(Li/CuF2)電池在放電電流密度為2毫安/厘米2時,實際比能量可達250瓦時/千克。由于有機電解質溶液的比電導小,電流密度不能提高,因此鋰-非水電解質溶液電池是一種高比能量、低功率的電池。而鋰-硫化物電池在重負荷下放電,特別當外部短路時還會發生爆炸。

④鈉-硫高能電池:是近幾年研制出的比較成熟的一種二次高能電池。它的負極是熔融金屬鈉(Na);正極活性物質是熔融多硫化鈉(Na2Sx),通常充滿在多孔碳中,碳作為正極集流體。需采用導電陶瓷管將鈉與多硫化鈉隔開,以防直接反應而引起自放電。此外,陶瓷管還起電池中的電解質作用。電池放電時,負極上的反應為2Na─→2Na++2e-Na+

通過導電陶瓷管進入正極與硫發生反應形成多硫化物。當負極的鈉耗盡的時候則放電終止。為使鈉和多硫化鈉都處于液態,放電需在300℃左右進行。鈉-硫電池的實際比能量已經達100瓦時/千克,充放電循環壽命可達2000個深放電循環,因此特別適于用作車輛的電力電池。

⑤鋰高溫高能電池:以鋰為負極,硫族(包括硫化物)和氯氣為正極活性物質,熔融鹽為電解質的電池。由于采用熔融鹽,電池在300~600℃間工作,因此鋰高溫高能電池與鈉-硫電池合稱為高溫電池。液態鋰電極經多次充放電循環后易失去濕潤性;硫在高溫下要揮發,并有腐蝕性;氯是氣體,難以處理。因此鋰高溫電池研制的方向將向以鋰合金為負極和以硫化物為正極的方向發展。如鋰鋁合金-硫化鐵電池,其電池反應為4LiAl+FeS2─→2Li2S+Fe+4Al

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