太阳能高能电池是什么?

新能源的开发是始终备受关注的话题,最近出现了一种叫高能电池的新能源电池,那高能电池是什么呢?
高能电池是指具有较高比能量的电池。比较耐用和供电量高电池比能量,在电池反应中,1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。

据在国际顶级期刊《科学》(Science)杂志上报道,来自中国南开大学的电池研究团队在太阳能电池这一领域有了最新的研究进展——他们制备了一种基于有机半导体材料的太阳能电池,其能量转化效率(把光能转化成电能的效率)达到了17.3%,放置166天后性能仅有轻微衰减(约4%)。

  17.3%是什么概念?可以说,它超越了目前同类有机太阳能电池效率14%的最高值,创下了新的世界纪录——在提高能源转化率方面,每个百分点的进步都极其不易。

  太阳能电池这个概念,或许大家都不陌生。但具体说到制造太阳能电池的材料,可能了解的人就不多了。目前,已经商品化的太阳能电池板大多由无机半导体材料制造,它具有原材料易获取(比如硅)、吸取光谱宽、能量转化效率高等优势。但事实上,无机半导体材料并不是将太阳能转化为电能的完美解决方案,原因在于——它们太脆了,科学家们必须不断去开发和寻找可替代的解决方案。

  有机太阳能电池一直是近年来学术界和工业界的研究热点。此外,科学家们经过分析后普遍认为,如果继续优化电池器件构型和材料选择,有机太阳能电池的能量转化效率理论上可以突破25%。尤其在过去的十年间,有机太阳能电池更是经历了跃迁式的发展,其性能已经可以与商品化的无机硅电池媲美,像高处的王冠一样鼓舞着科学家们不断地接近它。

  不过,我们距离真正的有机太阳能电池的商品化还有一段距离,仍有一些问题需要克服——比如,很多有机材料在太阳光的照射下并不那么稳定、制作过程中使用的溶剂毒性较大,以及大规模生产工艺尚未成熟。

高能电池应用主要有:遥感勘测、航天航空、海洋勘探、地质调研

高能电池的种类

①以镁作负极活性物质的镁干电池:其结构与锌-锰干电池基本相同。镁的标准电极电势比较低,电化学当量小,具备了作为高能电池负极活性物质的优良条件。例如镁-锰干电池的实际比能量是锌-锰干电池的4倍,工作时电压平稳,在低温下也具有较好的工作能力,并且能耐高温贮存。其缺点是有电压滞后现象(接通后需要经一段时间,电压才能上升至终止电压值),滞后时间约为2~3秒;由于腐蚀作用,镁电极电流效率低;不宜于小电流长时间的间歇放电。

②金属-空气电池:以空气中的氧气作为正极活性物质,金属作为负极活性物质的电池(见电池)。

③锂-非水电解质溶液电池:锂的电化学当量约为镁的二分之一,因此作为高能电池的负极,锂比镁更优越。但锂与水要激烈反应,须采用有机溶剂或非水的无机溶剂来配制电解质溶液,再加入无机盐使之导电。使用的正极材料主要有固体氟化物、氯化物、氧化物、硫化物。这些电池的理论比能量大都在1000瓦时/千克以上。其实际比能量也比较高。例如锂-氟化铜(Li/CuF2)电池在放电电流密度为2毫安/厘米2时,实际比能量可达250瓦时/千克。由于有机电解质溶液的比电导小,电流密度不能提高,因此锂-非水电解质溶液电池是一种高比能量、低功率的电池。而锂-硫化物电池在重负荷下放电,特别当外部短路时还会发生爆炸。

④钠-硫电池:是近几年研制出的比较成熟的一种二次电池。它的负极是熔融金属钠(Na);正极活性物质是熔融多硫化钠(Na2Sx),通常充满在多孔碳中,碳作为正极集流体。需采用导电陶瓷管将钠与多硫化钠隔开,以防直接反应而引起自放电。此外,陶瓷管还起电池中的电解质作用。电池放电时,负极上的反应为2Na─→2Na++2e-Na+

通过导电陶瓷管进入正极与硫发生反应形成多硫化物。当负极的钠耗尽的时候则放电终止。为使钠和多硫化钠都处于液态,放电需在300℃左右进行。钠-硫电池的实际比能量已经达100瓦时/千克,充放电循环寿命可达2000个深放电循环,因此特别适于用作车辆的电力电池。

⑤锂高温电池:以锂为负极,硫族(包括硫化物)和氯气为正极活性物质,熔融盐为电解质的电池。由于采用熔融盐,电池在300~600℃间工作,因此锂高温电池与钠-硫电池合称为高温电池。液态锂电极经多次充放电循环后易失去湿润性;硫在高温下要挥发,并有腐蚀性;氯是气体,难以处理。因此锂高温电池研制的方向将向以锂合金为负极和以硫化物为正极的方向发展。如锂铝合金-硫化铁电池,其电池反应为4LiAl+FeS2─→2Li2S+Fe+4Al

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