新一代电池走向全固态

新一代电池走向全固态——电动车与定置式大尺寸电池的需求

推动开发（上）

以固态电解质取代传统液体有机电解液的固态电池正吸引越来越多的关注。电动车（EV）和定置式蓄电用途的大型电池的应用需求激增，可期待安全与长寿命的固态电池正在成为一个候选产品。在追求高容量化的新一代电池方面，固态电解质扮演角色的重要性也在日益提高。但目前固态电解质仍然存有不少问题。本文追寻着开发全固态电池的企业、大学和研究机构的脚步，探索固态电池通向实用化之路。

“只用固体材料即可实现电池功能的认识终于被人们普遍接受”日本东京工业大学研究

生院综合理工学研究科物质电子化学专业教授菅野了次感慨道。

采用固态电解质的的大容量新一代电池，即所谓“全固态电池”近来开始受到瞩目。这是

由于其在能量密度提高的同时，还可望确保安全性和实现长寿命化（图1）。

图1 发展方向是固态电解质

电动车和定置式用大型锂离子充电电池而言，保证安全是最重要的。并且，希望长

寿命化的呼声也很高，许多电池使用者希望“锂离子充电电池采用固体电解质”。而

在便携设备市场上，业者们似在考虑使用固态电解质来开发能量密度超过

300Wh/kg的后锂离子充电电池。

采用有机电解液的传统锂离子充电电池，因有过度充电、内部短路等异常时可能导致电解液发热，有自燃或甚至爆炸的危险。而将有机电解液代之以固态电解质的全固态电池，其安全性可大幅提高。并且，因在理想状态下，固态时锂的扩散速度（离子传导率）较液体电解液时高，理论上认为其可实现更高的输出。

并且，固态电池包括其制造方式在内，可能会实现突破现有电池概念的特性。例如，因不必封入液体，则电池外装可以简化，从而能以卷对卷（roll-to-roll）方式制造大面积单元。进一步，还可将数层电极层积，并在单元内串联，制作12V或24V的大电压单元等，使此前不可能的电池得以实现。

实际上，电池相关学会也称，近年来关于固态电池的论文数目在增加。其中最有兴趣的积极参与者是丰田汽车公司。近1、2年，其以将来适用于车载的电池为目标的论文大幅增加。

对固态电池抱有强烈兴趣的，并非只有丰田公司一家。出光兴产（Idemitsu Kosan）在展示会上以2012年实用化为目标，展示了约A6大小的固态电池，日本中央电力研究所（Central Research Institute of Electric Power Industry，CRIEPI）则在开发以住宅储能为目的的固态电池。并且，电池制造厂商也加入这股热潮：日本三星横滨研究院（Samsung Yokohama Research Institute）与韩国的三星电子已经开发出一种充放电周期寿命和输出特性都接近商业水准的固态电池。从电池的制造方到利用方的许多企业都在致力于固体电池的开发。

固态电池的开发并非始于今日。迄今已有过许多小型固态电池的试制品，并已在心脏起搏器（pacemaker）上实现了商业化。只是此前的开发一直以非常小的薄型电池为中心。然而，近来车载及定置蓄电用途采用固体大型电池的可能性一直在提高。

所有这一切的背景是，电动车和定置式蓄电用大型电池，而非迄今为止的主流——便携设备用的小型电池的需求激增，因此要求电池特性的改变，使得研发方向发生重大改变。

特别是对电池的安全性与使用寿命，有比现有的锂离子充电电池更加严格的要求。其中，安全性自不待言，固态电池有明显优势；而在延长使用寿命方面，“固态电池的周期寿命特性原本就优异”，日本大坂府立大学（Osaka Prefecture University）研究生院工学研究科教授辰巳砂昌弘说道。

耐高电压

除了比目前的锂离子充电电池更安全与使用寿命更长，提高能量密度也是固态电池的一个开发主题。使固态电池具有可增加能量密度特征的理由之一是固体电解质电位窗（potential window*）的宽广度。而传统的有机电解液，当电池电压接近4V时电解液就开始分解，因此很难提高电池的电压上限。

*电位窗（Potential window）：由溶剂和盐组成的电解液不出现氧化还原反应的电压范围。取决于溶剂、盐与电极材料。

目前，为提高容量，锂离子充电电池的负极正准备变更为电流容能高的硅等材料（注1）。与负极相应的高容量正极材料虽同样重要，但尚未发现有望支持更高电流容量的正极材料。因此，在正极材料方面，将利用电流容量不变，而以高电压来增加能量密度的所谓“5V”正极材料作为了目标。

注1：日立麦克赛尔（Hitachi Maxell），2010年6月推出智能手机用硅基负极锂离子充电电池。此外，松下公司则表明将在2012年度开始量产这种电池。

但即使采用5V电压型正极材料，传统的有机电解液还是会分解，电池的电压还是不能提高。而使用具有更宽广电位窗的固态电解质，便可令5V正极成为可行的解答（注2）。

注2：因固态电解质是固体，当电极材料与电解质间的界面发生反应时，其进一步反应难以进行，比有机电解液难分解，因而电位窗高。

并且，固态电解质对作为锂聚合物充电电池而受到关注的硫化锂（Li-S）*与锂空气（Li-air）*电池等的下一代电池的实现，似将发挥重要的作用。硫化锂电池使用硫（S）类材料为正极，若使用有机电解液，硫会溶解于其中。如能利用固态电解质，则这个问题就不复存在。

*硫化锂电池（Li-S battery）：正极为硫，负极为金属锂的充电电池。因硫的理论容量高达1672mAh/g，即硫化锂电池的理论能量密度可为约2600Wh/kg。

*锂空气电池：因利用大气中的氧气为正极，所以单位质量及体积的能量密度可得到飞跃性提升，所以作为终极电池（ultimate battery）在研究。但有观点指出，其空气极的还原反应极具难度。

被视为“终极电池”的锂空气电池，正极上需要能使空气通过的结构。因此，固态而非液态电解质的采用很可能会促成电极结构的简化。（未完待续记者：狩集浩志）

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推动开发（中）

离子导电性高的无机电解质

固态电池用固态电解质的开发可大致分为两类，即离子电导率高、使用寿命长的无机电解质与生产效率高的高分子电解质（图2）。无机电解质可进一步分成为硫化物和氧化物两类。目前进展最快的是硫化物类固态电解质，不断有离子电导率达10-3S/cm，与电解液性能相当的材料开发出来。

图2 固态电池的长处和短处

固态电池的电解质，可大致分为无机物和高分子两类。无机物类以较高的离子导电

为特征。高分子类虽更容易制造，但存在有低温特性的问题。

具有代表性的例子为Li2S-P2S5类与硫化结晶锂超离子导体（thio-LISICON）类电解质。Li2S-P2S5类材料方面，已开发出了离子电导率高达3～5×10-3S/cm的材料，使用这种材料的固态电池的试制品也纷纷出笼。而与硫化结晶锂超离子导体结构相似的材料具有较高的离子电导率已是众所周知，其中最适合电池的材料也在探索之中。

硫化物固态电解质的另一个优点，是因为使用了与下一代正极材料相同的硫（S）化物，造成优异的匹配。如果能开发出离子电导率达约10-2S/cm的固态电解质，则“会加速下一代电池的研究”，东京工业大学的菅野表示。

然而，还有需要解决的问题。首先是所有固态电解质共同的问题：电极活性物质和固态电解质间界面的高电阻。且硫化物和水发生反应会产生硫化氢（H2S），这意味着从生产电解质到组装电池的整个制程都需要对湿度的控制措施。

而氧化物类方面，目前已有离子导电率达到低于硫化物的10-3S/cm的氧化物类电解质

面世。只是，具备这种特性的氧化物类为结晶构造，存在其晶界电阻（grain boundary resistance）会降低性能的问题（注3）。即使如此，因在制造上氧化物要比硫化物更容易

处理，性能与硫化物相当的氧化物类电解质的开发还是受到了关注。

注3：在氧化物类电解质方面，晶体结构的氧化物固态电解质获得了10-3S/cm以上的高离

子电导率，但是当作固态电解质使用时其晶界电阻会增大。而硫化物类相同的离子导电性是以非晶构造的固态电解质实现的。

界面层形成是提高性能的关键

为了使这些优劣互见的无机固态电解质用于固态电池实现高性能，在电极与电解质间形成良好的界面至关重要。若只将它们堆叠起来，会导致两者之间的多点接触（multi-point contact），使界面电阻增加，导致整个电池无法使用。

因此，使用无机固态电解质的固态电池，以采用将电极材料与电解质混合起来的复合电极材料为主流（图3）。并且，为了防止充放电引起的在电极活性物质与固态电解质之间的界面上生成的化合物导致界面电阻的上升，要事先在电极活性物质的表面上涂布一层氧化薄膜。由此提高充放电周期性能。

图3 稳定改善的无机电解质

采用无机物类固态电解质的固态电池，随采取活性物质与固体电解质的开发及应用

活性物质的表面被膜等方法，其界面电阻一直在降低。

向实用化迈进

这些努力在切实结出成果，可称之为代表的，是三星横滨研究院与三星电子开发出的固态电池。他们在2010年3月日本电化学学会会议上发布，该电池已实现了接近实用水准的输出特性及超过现有锂离子充电电池的充放电周期寿命。是对现有锂离子充电电池采用的正极和负极材料使用硫化物固态电解质，从而获得了出色的电池特性（图4）。

图4 确保特性与现有的锂离子充电电池相当

三星横滨研究院与三星电子采用一个LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极材料的钮扣电池做

了一项实验（a），当正极以铝涂覆时，经过300次周期后的能量维持仍高达85％

（b）。图依三星横滨研究院的资料制作。

该公司等试制的，是正极为镍类、负极为石墨类材料，固态电解质采用了离子传导率为10-4S/cm左右的Li2S-P2S5的固态电池。具体为，正极采用LiNi0.8Co0.15Al0.05O2，虽然细节未透露，但在正极上涂布一层铝膜，以减少其与电解质之间的界面电阻。由此，得到了具有实用水平的0.5mA/cm2时的放电容量为105mAh/g的结果。

其充放电周期寿命的特性，据称在300次周期后，还可保持85％的容量，超过了现有锂离子充电电池的性能。“这些成果是在固态电解质厚达400μm、离子导电性低至约10-4S/cm的情况下取得的。这是固态电池迈向商业化的重要成果。”三星横滨研究院大坂分所能源小组的小林直哉对此寄予期待。

更高容量的硫化物正极

开发了离子导电率高达3～5×10-3S/cm的Li2S-P2S5固态电解质等的大坂府立大学的辰巳砂实验室，使正极利用硫类材料的固态电池，达到了电解液电池无法实现的容量和寿命。该实验室的特点之一，是利用行星式球磨机进行机械加工，以制作具高离子导电性的复合正极材料。机械研磨除在室温下反应外，还具有可获得能直接用作固态电解质的精微颗粒玻璃的优

点。

例如，由机械研磨的硫化镍（NiS）与Li2S-P2S5类固态电解质组成的复合正极、Li2S-P2S5类固态电解质和使用锂铟合金的负极所制成的固态电池，在相对高的1.3mA/cm2电流密度下展现了良好的容量与周期特性（图5）。

具体来说，50次周期后其充放电效率仍接近100％，容量仍维持在约360mAh/g。而单以硫化镍与固态电解质混合时，容量只有100mAh/g。由此可知，经机械研磨的复合正极材料，其电极活性物质与固态电解质之间的接触面积增大，从而硫化镍电极活性物质的利用率得以提高。（未完待续记者：狩集浩志）

图5 利用球磨机制作硫化复合物正极材料

大阪府立大学采用了行星式球磨机制作复合正极材料（a）。据称做成活性物质（NiS）

与固态电解质之间的良好界面（b）。其结果，放电能量明显高于只混合二者时所

获得的能量（c）。图依大阪府立大学提供的数据制成。

新一代电池走向全固态——电动车与定置式大尺寸电池的需求

推动开发（下）

辰巳砂实验室还在进行直接将硫用作正极材料的研究。硫本身并不导电，因此，加添了乙炔黑（acetylene black）作为传导促进剂，加以机械研磨，再加添Li2S-P2S5并予研磨制

成了复合正极材料。使用这种正极和锂铟合金负极制成的固态电池，在10个周期后，仍保持了高达（1375mAh/g）的容量。

对住宅应用固态电池

目前高分子类固态电池的研发以聚醚（polyether）类为主流。将高分子材料涂布在电

极上，然后用电子束（E-beam）或紫外线（UV）辐射加以桥接（cross-bridge）可使之固化，特点是易于形成与电极材料间的良好界面。但常温下其离子电导率约只有10-5S/cm，低温

特性较低，0℃以下难以工作。

日本电力中央研究所看准这一特性，并欲将采用聚合物固态电解质的固态电池用于住宅。该研究所正在设想将固态电池与由热泵和储热槽组成的“Eco-Cute”热水器结合使用。与固态电池组合的的热水储存槽可以更加小型化，因而更容易由难以确保设置面积的大规模住宅和公寓采用，而固态电池设想在60℃下操作，因此可避免产生聚合物固态电解质的弱点——

低温操作上存在的问题。

该研究所在充分考虑了无机物类固态电解质的离子导电率和低温特性优异的基础上，还

是选择使用了聚合物类固态电解质。其理由是定置式应用对较低成本的要求强烈。使用聚合物类电解质的固态电池，可以使用与现有锂离子充电电池相同的电极材料，不仅容易制造，而且无需隔离膜与电解液注入工序等，容易实现低价格。

可能仅需涂布制程

电力中央研究所正在构想全部工序都以涂布制造的生产线（图6）。生产方法极为简单：在涂布了电极材料的电极板上涂布聚合物电解质，然后照射紫外线桥接使电解质固化。之后，只需将正极和负极板紧密合在一起即可。其特点是，通过厚厚涂布聚合物固态电解质，可以无需使用隔离膜。

图6 适合大量生产的聚合物固态电解质

CRIEPI正在开发一种采用聚合物固态电解质的固态电池。可采用能实现大尺寸与低

成本的卷对卷式量产方式，并在构想量产生产线（a）。其试制品单元内，有三个

电池板层积并串联在一起（b）。实际上，1个单元便可以输出约12V（c）。图依

CRIEPI 提供的数据制成。

电力中央研究所正在进行正极采用LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2，负极为石墨的固态电池研究。固态电解质采用了日本大创株式会社（Daiso）的一种聚醚材料。为防止在正极材料与固态电解质间的界面上形成化合物而导致性能劣化，将在活性物质的表面上涂覆无机物。因正极涂覆可防止固态电解质的氧化，因而对金属锂可与电位超过4V的LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2组合使用。

负极材料的选择需要考虑与构成电极的传导促进剂、粘接剂的匹配适用性。就导电促进剂而言，气相碳纤维（Vapor-phase carbon fiber）优于乙炔黑，而粘接剂，则丁二烯苯乙烯橡胶（styrene-butadiene rubber, SBR）比聚偏二氟乙烯（polyvinylidene difluoride, PVDF）效果更佳。

电力中央研究所定于在两、三年后向民间企业提供其固态电池技术授权，希望能于2015年看到量产的试制品。使用寿命为其商业化的主要障碍，一位CRIEPI消息人士解释说：“使用寿命对定置式安装至关重要，我们希望能将延长使用寿命为目前的两倍左右。”

已设置试制生产线

日本三重县的财团法人三重产业支援中心（Mie Industry and Enterprise Support Center），也在利用聚合物固态电解质发展固态电池。参与这项开发的还有三重县工业研究所和已经设立了利用卷对卷方式生产线的三重大学新一代电池研发中心（图7）。

图7 三重大学的试制生产线

三重大学设置了一条采用聚合物固态电解质固态电池的试制生产线（a）。聚合物

和桥接剂（bridging agent）被用来涂布正极和负极的电极薄板（b）。

据称，该固态电池采用了磷酸铁锂（LiFePO4）正极、聚氧化乙烯（polyethylene oxide, PEO）电解质薄膜与钛酸锂（Li4Ti5O12）石墨和硅复合物负极。制造时，将正极和负极所需的聚合物与桥接材料添加到含有活性物质的材料中，并涂布到电极板上，在制造工序中用电子束照射使电极膜层内聚合物分子间形成桥接。固态电解质中亦加入桥接材料，并在涂布后以同样的方法实施桥接处理。他们认为，由于这些桥接的作用，即使在低温条件下每个膜层上聚合物分子间的距离不易收缩，便于锂离子的转移。据称，这一设计，目前甚至在0℃电池也可工作。作为用途，其将可与太阳能电池、电子纸和柔性电路板结合使用。（全文完记者：狩集浩志）

■日文原文

次世代電池は「全固体」へ電動車両向けや定置向けの大型電池が開発を牽引

太阳能电池材料的发展及应用

太阳能电池材料的发展及应用 材料研1203 Z石南起新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。 随着科学技术发展，人们在传统材料的基础上，根据现代科技的研究成果，开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。 功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。 功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。 功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85%。我国高技术 (863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。

全固态锂电池的技术研究进展

全固态锂电池的技术研究进展 根据近期流传的技术趋势预测，全固态锂电池，可能在2030年之前实现固态电解质技术突破，单体能量密度超过500Wh/kg的目标，并且达到量产能力。今天关注一下全固态电解质锂电池。 1锂电池的种类 锂电池的分类方法比较多，可以按照正极材料类型划分，负极材料类型划分，电解液类型划分等等，我们常说的三元材料还是磷酸铁锂或者锰酸锂，就是按照正极材料划分的结果。在锂电池当前发展阶段上，锂电池性能上的差异主要表现在正极材料的差异上，因此人们习惯于用正极材料的名称给一个技术路线命名。 今后两年，高镍三元将成为量产可能性最高的一种技术路线，而含镍量的不同，又成了技术路线的名字，622、811，这是镍钴锰在三元正极材料中的占比关系。这仍然是一种针对正极材料差异的提法。 欧阳明高院士最近给出的技术路线预测中，高镍以后，能量密度达到400Wh/kg的希望，很大程度上寄托在全固态电池的身上。固态电池，相对于传统锂电池的液态电解液而言的，电解质为导电率很高的纯固态物质，这是一种针对电解液形态的命名方式。 与固态电池平行的另外两种技术路线应该可以叫做液态电解液锂电池和半固态电解液锂电池。液态电解液锂电池，传统称呼中三元、磷酸铁锂、锰酸锂都属于液态电解液锂电池范围。半固态电解液，电解质是介于固态和液态之间的状态，现在常见的材料是聚合物电解质，在常温下为凝胶态。 2全固态锂电池的优缺点 优点 1）安全性好，电解质无腐蚀，不可燃，也不存在漏液问题； 2）高温稳定性好，可以在60℃-120℃之间工作； 3）有望获得更高的能量密度。固态电解液，力学性能好，有效抑制锂单质直径生长造成

新型固体燃料电池

新型固体燃料电池 香山科学会议第97次学术讨论会于1998年6月14日一17日在北京香山举行。会议主题为“新型固体燃料电池”。王佛松院士、W．Weppner(德国，基尔大学)教授、陈立泉研究员、孟广耀教授担任本次会议的执行主席。来自美国、日本、欧洲的8名专家学者和30余名中国专家学者参加了本次会议。 这次会议是在总结介绍国内外先进燃料电池领域的现况、存在问题和发展前景的基础上，从社会可持续发展对绿色能源的迫切要求出发，侧重于对新型固体燃料电池研究开发中的新进展、新概念、新见解的交流和讨论。 一、2l世纪的绿色能源和最佳发电系统 中国科技大学孟广耀教授作了题为“新型固体燃料电池—21世纪的绿色能源”的综述报告。他认为，一个适于所有化石燃料和其它生物质或可持续能源的绿色能源路线，是集汽化联合循环、无机膜反应器和陶瓷膜过滤器以及燃料电池为一体，发展新型固体氧化物燃料电池。这种新型燃料电池是采用新型固体电解质，通过新颖的软化学制造路线实现薄膜化和整个结构优化的，可以在中、高温中操作，通过全面深入的基础研究可达到高效率、低成本，从而实现人类绿色能源的理想。 孟广耀指出，燃料电池是一类高能量转换效率的洁净、安全和方便的能源系统，实际上也是一类包括燃料重整和转换以及电化学反应过程等在内的无机膜

反应器。孟广耀综合分析了国际上固体燃料的研究现状和发展思路，认为SOFC 是采用离子导体陶瓷为电解质的高温燃料电池。与传统的燃煤燃气发电技术和其它燃料电池比较，SOFC有许多优点，SOFC被认为是最适合应用于电站系统的先进燃料电池技术。他还归纳了SOFC目前所遇到的主要困难，并特别强调了制作中的软化学路线问题。 中国科学院上海硅酸盐所严东生院士和温廷琏研究员分别作了题为“燃料电池特别是固体燃料电池的回顾和展望”、“中国燃料电池的研究与开发”的评述报告。严东生概要地介绍了碳酸盐燃料电池及以固体氧化物燃料电池和聚合物电解质燃料电池为代表的新型固体燃料电池，分析了它们的发展现状、各自具有的优点及存在的不足之处，以及今后的发展趋势。温廷琏专门介绍了碱金属燃料电池(AFC)、高聚物电解质膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等四种电池在中国有关机构和工业界的研究与开发情况，同时指出，与美国、日本、欧洲等尚有很大距离，但发展燃料电池已成为国家政策，预期可有长足进步。 来自美国A11ied Singnal公司的国际著名燃料电池专家N．Q．Minh博士在对PEMFC和SOFC这两类电池的关键特性、关键技术以及它们的发展趋势进行讨论之后认为，PEMFC和SOFC是目前发展中的两类主要的固体燃料电池技术，在发电应用(电站系统)方面具有广泛的适用性。瑞士联邦能源办公室燃料电池项目负责人Leo Dubal博士作了“瑞士研究开发固体燃料电池l0年之经验教训”的报告。他从项目管理的角度展示了技术成就，概述了所获得的最重要的经验教训。瑞典皇家工学院朱斌研究员在对比分析传统高温SOFC与中温

太阳能电池板原理(DOC)

随着全球能源日趋紧张，太阳能成为新型能源得到了大力的开发，其中我们在生活中使用最多的就是太阳能电池了。太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是怎么样的呢？太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子—空穴对。这样，光能就以产生电子—空穴对的形式转变为电能。 一、太阳能电池的物理基础 当太阳光照射ｐ－ｎ结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子——空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向Ｐ型区，从而使凡区有过剩的电子，Ｐ区有过剩的空穴。于是，就在ｐ－ｎ结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。 如果半导体内存在P—N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P—N结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。

制造太阳电池的半导体材料已知的有十几种，因此太阳电池的种类也很多。目前，技术最成熟，并具有商业价值的太阳电池要算硅太阳电池。下面我们以硅太阳能电池为例，详细介绍太阳能电池的工作原理。 1、本征半导体 物质的导电性能决定于原子结构。导体一般为低价元素，它们的最外层电子极易挣脱原子核的束缚成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子，所以导电性极差，成为绝缘体。常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）均为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚的那么紧，因而其导电性介于二者之间。 将纯净的半导体经过一定的工艺过程制成单晶体，即为本征半导体。晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，相邻的原子形成共价键。

太阳能光伏电池新技术一览

太阳能光伏电池新技术一览 不管是何种太阳能电池的研发与创新，提高太阳能电池转换效率、降低太阳能光伏电池生产成本是所有电池生产企业及研发机构关注的核心问题。 现阶段，太阳能光伏电池行业传来不少新型电池成功研发的喜讯，既有工艺技术上的变革、也有制造材料上的创新。真可谓是百花齐放、百舸争流。受中国电池网（https://www.wendangku.net/doc/995140553.html,）授权，下面给大家总结下新的太阳能光伏电池研发成果，让感兴趣的朋友们能更深入的了解到现今的太阳能光伏电池技术的发展。 1.喷墨打印技术降低铜铟镓硒太阳能光伏电池 传统的太阳能光伏电池生产技术通常非常耗时，并且需要使用昂贵的真空系统和有毒的化学物质。使用气象沉积沉淀化合物，如铜铟镓硒(CIGS)，会损失大量昂贵的材料。俄勒冈州立大学的工程师首次研发出一种通过喷墨打印技术制造铜铟镓硒太阳能光伏电池的方法。这个方法可以减少90%原材料损耗，大幅降低了使用昂贵化合物生产太阳能光伏电池的成本。 研究者发明了一种墨，能够将黄铜矿打印在基片上，打印出的成品能量转化效率为5%。虽然，这个转化效率还无法满足商用，但研究者表示他们在接下来的研究中有望将转换率提高到12%。 工程师们正在研究其他更为便宜、可用于喷墨技术的化合物。他们称，如果这些材料能够降低足够的成本，直接在屋面材料上安装太阳能电池将成为可能。 2.单晶多晶混合太阳能光伏电池 中国太阳能电池生产商尚德电力(SuntechPower)研发出新型混合太阳能光伏电池，可以有效降低太阳能光伏发电成本10%到20%。这种电池由70%的单晶硅和30%的多晶硅构成。单晶多晶混合硅片的造价成本只是传统单晶硅硅片的一半。由于硅片只占太阳能总体成本的一部分，所以从整体上来看，有助于降低太阳能发电成本10%-20%。 尚德电力首席技术官StuartWenham表示，将很快实现该产品的规模化生产。 3.全光谱太阳能光伏电池 近日报道，加拿大科学家表示，他们研发出了一款新式的全光谱太阳能光伏电池，其不但可以吸收太阳发出的可见光，也可以吸收不可见光，从理论上讲，转化效率可高达42%，超过现有普通太阳能光伏电池31%的理论转化率。研究发表在最新一期的《自然·光子学》杂志上。 此款基于胶体量子点(CQD)的高效串接太阳能光伏电池由加拿大首席纳米技术科学家、多伦多大学电子与计算机工程系教授泰德·萨金特领导的科研团队研制而成。论文主要作者王希华(音译)表示，该太阳能光伏电池由两个吸光层组成：一层被调制用于捕捉太阳发出的可见光;而另外一层则可以捕捉太阳发出的不可见光。 萨金特希望，在5年内，将这款新的分级重组层太阳能光伏电池整合入建筑材料、手机和汽车零件中。 4.量子阱太阳能光伏电池 在西雅图举行的第37届IEEE光伏专家会议上，MagnoliaSolar的首席技术官RogerE.Welser博士做了有关InGaAs量子阱太阳能光伏电池的报告，MagnoliaSolar刷新了该类太阳能光伏电池的电压记录。 “通过把窄带隙量子阱嵌入宽带隙材料中，量子阱结构太阳能光伏电池吸收光谱更宽，同时吸收高能光子的能量损失更小。”MagnoliaSolar的董事长兼首席执行官AshokK.Sood博士表示，”单结量子阱太阳能光伏电池在非聚光条件下的理论转化效率高达45%。” 5.可挠式非晶硅太阳能光伏电池 日本媒体近日报导，TDK已研发出一款可挠式太阳能电池，藉由光学设计的改良，该款太阳能光伏电池在屋外阳光下的转换率已自现行的4.5%提升至7%的水准，TDK并计画于今(2011)年夏天透过甲府工厂量产该款太阳能光伏电池。据报导，该款太阳能电池为采用薄膜基板的非晶硅(amorphoussilicon)太阳能光伏电池。

(完整版)全固态锂电池技术的研究进展与展望

全固态锂电池技术的研究进展与展望 周俊飞 （衢州学院化学与材料工程学院浙江衢州324000） 摘要：现有电化学储能锂离子电池系统采用液体电解质，易泄露、易腐蚀、服役寿命短，具有安全隐患。薄膜型 全固态锂电池、大容量聚合物全固态锂电池和大容量无机全固态锂电池是一类以非可燃性固体电解质取代传统锂离 子电池中液态电解质，锂离子通过在正负极间嵌入-脱出并与电子发生电荷交换后实现电能与化学能转换的新型高 安全性锂二次电池。作者综述了各种全固态锂电池的研究和开发现状，包括固态锂电池的构造、工作原理和性能特 征，锂离子固体电解质材料与电极/电解质界面调控，固态整电池技术等方面，提出并详细分析了该技术面临的主要 科学与技术问题，最后指出了全固态锂电池技术未来的发展趋势。 关键词：储能；全固态锂离子电池；固体电解质；界面调控 1 全固态锂电池概述 全固态锂二次电池，简称为全固态锂电池，即电池各单元，包括正负极、电解质全部采用固态材料的锂二次电池，是从20 世纪50 年代开始发展起来的[10-12]。全固态锂电池在构造上比传统锂离子电池要简单，固体电解质除了传导锂离子，也充当了隔膜的角色，如图 2 所示，所以，在全固态锂电池中，电解液、电解质盐、隔膜与黏接剂聚偏氟乙烯等都不需要使用，大大简化了电池的构建步骤。全固态锂电池的工作原理与液态电解质锂离子电池的原理是相通的，充电时正极中的锂离子从活性物质的晶格中脱嵌，通过固体电解质向负极迁移，电子通过外电路向负极迁移，两者在负极处复合成锂原子、合金化或嵌入到负极材料中。放电过程与充电过程恰好相反，此时电子通过外电路驱动电子器件。目前，对于全固态锂二次电池的研究，按电解区分主要包括两大类[13]：一类是以有机聚合物电解质组成的锂离子电池，也称为聚合物全固态锂电池；另一类是以无机固体电解质组成的锂离子电池，又称为无机全固态锂电池，其比较见表1。通过表1 的比较可以清楚地看到，聚合物全固态锂电池的优点是安全性高、能够制备成各种形状、通过卷对卷的方式制备相对容易，但是，该类电池作为大容量化学电源进入储能领域仍有一段距离，主要存在的问题包括电解质和电极的界面不稳定、高分子固体电解质容易结晶、适用温度范围窄以及力学性能有提升空间；以上问题将导致大容量电池在使用过程中因为局部温度升高、界面处化学反应面使聚合物电解质开貌发生变化，进而增大界面电阻甚至导致断路。同时，具有隔膜作用的电解质层的力学性能的下降将引起电池内部发生短路，从面使电池失效[14-15]。无机固体电解质材料具有机械强度高，不含易燃、易挥发成分，不存在漏夜，抗温度性能好等特点；同时，无机材料处理容易实现大规模制备以满足大尺寸电池的需要，还可以制备成薄膜，易于将锂电池小型化，而且由无机材料组装的薄膜无机固体电解质锂电池具有超长的储存寿命和循环性能，是各类微型电子产品电源的最佳选择[10]。采用有机电解液的传统锂离子电池，因过度充电、内部短路等异常时电解液发热，有自燃甚至爆炸的危险（图3）。从图 3 可以清楚地看到，当电池因为受热或短路情况下导致温度升高后，传统的锰酸锂或钴酸锂液体电解质锂离子电池存在膨胀起火的危险，而基于纯无机材料的全固态锂电池未发生此类事故。这体现了无机全固态锂电池在安全性方面的独特优势。以固体电解质替代有机液体电解液的全固态锂电池，在解决传统锂离子电池能量密度偏低和使用寿命偏短这两个关键问题的同时，有望彻底解决电池的安全性问题，符合未来大容量新型化学储能技术发展的方向。正是被全固态锂电池作为电源所表现出来的优点所吸引，近年来国际上对全固态锂电池的开发和研究逐渐开始活跃[10-12] 2 全固态锂电池储能应用研究进展 在社会发展需求和潜在市场需求的推动下，基于新概念、新材料和新技术的化学储能新体系不断涌现，化学储能技术正向安全可靠、长寿命、大规模、低成本、无污染的方向发展。目前已开发的化学储能装置，包括各种二次电池（如镍氢电池、锂离子电池等）、超级电容器、可再生燃料电池（RFC：电解水制氢-储氢-燃料电池发电）、钠硫电池、液流储能电池等。综合各种因素，考虑用于大规模化学储能的主要是锂二次电池、钠硫电池及液流电池，而其中大容量储能用锂二次电池更具推广前景。。 全固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池或锂金属电池等后锂离子充电电池的先导性研究在世界各地积极地进行着，计划在2020 年前后开始商业推广。在众多后锂离子充电电池中，包括日本丰田汽车、韩国三星电子和德国KOLIBRI 电池公司对全固态锂电池都表现出特别的兴趣。图 4 为未来二十年大容量锂电池的发展路径，从图 4 可以看出，全固态电

最新固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池

固体氧化物燃料电池 燃料电池又叫连续电池，它在等温条件下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能转变为电能 燃料电池的发电原理：阳极进行燃料的氧化过程，阴极进行氧化剂的还原过程，导电离子在电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。 燃料电池的工作方式：燃料电池的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时需要连续不断地向电池内输送燃料和氧化剂，排除产物和废热。 燃料电池的组成： (1) 电极。为多孔结构，可由具有电化学催化活性的材料制成，也可以只作为电化学反应的载体和反应电流的传导体。 (2) 电解质。通常为固态或液态，但也有关于NH3 气氛中NH4Cl 电解质的研究。电解质的状态取决于电池的使用条件。 (3) 燃料。可以是气态(氢气等)或液态(甲醇等)，在极少数情况下也可以是固态(碳)。 (4) 氧化剂。选择比较方便，纯氧、空气或卤素都可以胜任，而空气是最便宜的。 燃料电池的特点：可长时间不间断地工作——这使燃料电池兼具普通化学电源能量转换效率高和常规发电机组连续工作时间长的两种优势。 高效——它不通过热机过程，不受卡诺循环的限制，其能量转化效率在40-60%；如果实现热电联供，燃料的总利用率可高达80%以上。

环境友好——以纯氢为燃料时，燃料电池的化学反应物仅为水；以富氢气体为燃料时，其二氧化碳的排放量比热机过程减少40%以上，这对缓解地球的温室效应是十分重要的。 安静——燃料电池运动部件很少，工作时安静，噪声很低。 可靠性高——碱性燃料电池和磷酸燃料电池的运行均证明燃料电池的运行高度可靠，可作为各种应急电源和不间断电源使用。 燃料电池的类型：按电解质的性质分：1、碱性燃料电池，简称AFC。2、质子交换膜燃料电池，简称PEMFC。3、磷酸燃料电池，PAFC。4、熔融碳酸盐燃料电池，简称MCFC。5、固体氧化物燃料电池，简称SOFC。 固体氧化物燃料电池 SOFC是以固体氧化物为电解质，如ZrO2、BiO3等，阳极材料是Ni-YSZ陶瓷，阴极材料主要采用锰酸镧材料，SOFC的固体氧化物电解质在高温下800～1000℃具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2和分隔氧化剂与燃料的作用。 SOFC为全固体结构，其主要结构有：平板式、管式、瓦楞式、套管式和热交换一体化结构式， ①平板式SOFC电池是目前最主流的SOFC类型电池，它是将阳极/YSZ固体电解质 /阴极烧结成一体，形成三合一结构，简称PEN平板，PEN平板之间由双极连

窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的研究进展

?４８?材料导报：综述篇２０１０年３月（上）第２４卷第３期窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的研究进展 魏宇锋，陈相，蒋伟，朱洪坤 （上海出入境检验检疫局，上海２００１３５） 摘要窄带隙共轭聚合物材料是新型太阳能电池的研究热点。按窄带隙聚合物材料的结构分类，简要总结了不同种类窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的设计、合成及器件性能，并指出了该研究领域目前还存在的问题和今后发展的方向。 关键词窄带隙共轭聚合物太阳能电池能量转换效率 ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＮａｒｒｏｗＢａｎｄｇａｐＣｏｎｊｕｇａｔｅｄＰｏｌｙｍｅｒ ＭａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＳｏｌａｒＣｅｌｌｓ ＷＥＩＹｕｆｅｎｇ，ＣＨＥＮＸｉａｎｇ，ＪＩＡＮＧＷｅｉ，ＺＨＵＨｏｎｇｋｕｎ （ＳｈａｎｇｈａｉＥｎｔｒｙ－ＥｘｉｔＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＱｕａｒａｎｔｉｎｅＢｕｒｅａｕ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００１３５） ＡｂｓｔｒａｃｔＮａｒｒｏｗｂａｎｄｇａｐｃｏｎｊｕｇａｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅａｔｔｒａｃｔｅｄｇｒｅａｔｉｎｔｅｒｅｓｔｓｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄｏｆｎｏｖｅｌｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ．Ｄｅｓｉｇｎ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｄｅｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｖａｒｉｏｕｓｔｙｐｅｓｏｆｎａｒｒｏｗｂａｎｄｇａｐｐｏｌｙｍｅｒｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｂｒｉｅｆｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｓ７ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｆｕｔｕｒｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎａｒｒｏｗｂａｎｄｇａｐ．ｃｏｎｊｕｇａｔｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ，ｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ，ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ０前言 过去的几十年中，单晶硅、多晶硅、非晶硅类无机半导体太阳能电池得到了很快发展，已占有７０％左右的太阳能电池市场，其光电转化效率从２０世纪５０年代贝尔实验窜的约６％发展到如今的约３７．９％，在航空航天等高技术领域得到了广泛应用口’２］，但其复杂的制备工艺、较高的制作成本及不易柔性加工等缺点，限制了大面积无机太阳能电池的制备及其大规模使用。２０世纪７０年代人们开始关注有机太阳能电池材料的制作，尤其是聚合物太阳能电池已成为近年来研究的热点。具有共轭结构的聚合物半导体材料具有许多优良性质，如有效吸收太阳的光子，可以旋涂、刮涂及丝网印刷等方法实现湿法加工成膜；可以制成柔性、特种形状以及大面积器件；可以与其他有机或无机材料共混而制备成杂化器件等。目前，聚合物本体异质结型太阳能电池器件的光电转化效率已经达到６％［３］。 聚合物能带隙定义为：聚合物中最高被占用分子轨道（ＨＯＭ０）与分子最低空余轨道（ＬＵＭ０）之间的能级差。能带隙低于２．ｏｅＶ，即能吸收波长在６２０ｎｍ以上光的聚合物，被定义为窄带隙聚合物。聚（３－己基）噻吩的能带隙约为１．９ｅＶ，能吸收６５０ｈｍ以下的太阳光。研究数据表明，在６５０ｈｍ太阳光谱中仅有２２．４％的光子可以被吸收，因此降低聚合物能带隙能增加太阳光谱中光子的吸收率【４ｊ。然而，聚合物能带隙的降低会使器件的开路电压（ｋ）降低，从而导致能量转换效率（ＰＣＥ）降低。在实际应用中，聚合物的最佳能带隙取决于诱导电荷分离所需要的能量、给体的吸收属性以及受体的限制条件等。太阳能电池器件中最常用的电子受体为Ｃ６０的衍生物ＰＣＢＭ，与之构成大型异质结太阳能电池器件的共轭聚合物的最佳能带隙范围是１．３～１．９ｅＶ“。 本文简要综述了近年来设计、合成新型窄带隙共轭聚合物类太阳能电池材料的研究进展。 １研究概述 １．１聚噻吩类 聚噻吩的结构见图１。为了增加其溶解度，许多不同的取代基团被引入到聚噻吩骨架Ｅ，如烷基链、烷氧基链、酸、酯以及苯基等。聚噻吩是五元环结构，在２、５位实现聚合增长，因此，聚合物分子骨架就有了３种构型，“尾一尾”结构、“头一头”结构以及“头一尾”结构，其中“头一尾”结构是区域规则的结构。 聚噻吩ＰＡＴ的构型规整性是很重要的。因为这样的高分子电导率较高，基于规整性高分子的有机光伏打（ＯＰＶ）器件具有更高的效率。然而早期的合成方法无法得到规整性的聚噻吩。直到１９９０年，ＭｃＣｕｌｌｏｕｇｈｂＪ和Ｒｅｉｋｅｔ６１才用２种相关联的方法合成了具有高度规整性的聚（３－己基噻吩）（Ｐ３ＨＴ）（见图１）。由这２种方法得到的聚噻吩其区域规整 魏字锋：男，１９８１年生，硕士，主要从事聚合物太阳能电池材料的研究以及进出口锂电池类危险品的检验鉴定工作Ｔｅｌ：０２１—５２８４８８５５—２２１Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｆｅｎｇｗｅｉ０２１＠ｇｍａｉｋｃｏｍ 万方数据

浅谈太阳能电池的发展与应用

浅谈太阳能电池的基本原理与应用 摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力。特别是煤、石油、天然气等不可再生能源的逐渐枯竭，能源问题已经成为制约社会经济发展的重大问题，研究新能源的开发利用已是当务之急。太阳能作为一种清洁、高效、取用不尽的能源已有尽半个世纪的发展历程。并成为当前各国争相开发利用的一种新能源。太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳能电池，太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。为全面的了解太阳能电池的相关知识，本文通过查阅大量资料与新闻信息，综述太阳能电池的发展历程与当前应用情况。重点研究太阳能电池的工作原理，基本结构，主要类型，发展现状及趋势。 关键词：太阳能电池;基本原理;材料; 晶体硅;薄膜太阳能电池;转换效率 引言：由于人类对可再生能源的不断需求。促使人们致力于开发新型能源。太阳在40min内照射带地球表面的能量可供全球目前能源消费的速度使用1年。合理的利用好太阳能将是人类解决能源问题的长期发展战略，是其中最受瞩目的研究热点之一。在太阳能的有效利用中, 太阳能的光电利用是近些年来发展最快、最具活力的研究领域. 太阳能电池的研制和开发日益得到重视. 太阳能电池是利用光电材料吸收光能后发生的光电子转移反应而进行工作的. 根据所用材料的不同, 太阳能电池主要可分为四种类型: ( 1) 硅太阳能电池; ( 2) 多元化合物薄膜太阳能电池; ( 3) 有机物太阳能电池; ( 4) 纳米晶太阳能电池.太阳能电池以硅材料为主的主要原因是其对电池材料的要求: ( 1) 半导体材料的禁带宽度不能太宽; ( 2) 要有较高的光电转换效率; ( 3) 材料本身对环境不造成污染; ( 4) 材料便于工业化生产且材料性能稳定. 随着新材料的不断开发和相关技术的发展, 以其他材料为基础的太阳能电池也愈来愈显示出诱人的前景. 本文简要地综述了太阳能电池的原理、种类及其研究现状, 并讨论了太阳能电池的发展趋势. 1 基本原理 太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 1.1 半导体的简单介绍 半导体材料指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，这种材料在某个温度范围内随温度升高而增加电荷载流子的浓度，电阻率下降。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。 在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 1.1.1关于半导体的基本概念 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子，包括电子与空穴。 杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。 P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三

导电高分子材料在太阳能电池方面的应用

导电高分子材料在太阳能电池方面的应用 高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶粘剂和高分子基复合材料。除一般的结构材料外，一些高分子材料还具有光电磁等性能。下面，本文将对导电高分子材料在太阳能电池方面的应用作一下介绍。 太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源，将太阳能转换成电能的太阳电池成为各国科学界研究的热点和产业界开发的重点。聚合物薄膜太阳能电池较已经发展的较为成熟并且商品化了的硅电池、薄膜无机电池以及染料敏化电池，有着成本低、重量轻、制作工艺简单、可制备成柔性器件等突出优点，另外聚合物材料种类繁多，可设计性强，有希望通过结构和材料的改性来提高太阳电池的性能。因此，这类太阳电池具有重要发展和应用前景。 聚合物材料在太阳能电池上的应用包括作为给体材料，受体材料，空穴传输层材料已经柔性电极，在此，我们只对其作为给体材料做简单介绍。 在太阳能电池中有几个非常重要的表征参数：PCE（光电转换效率）、Voc（开路电压）、Jsc（短路电流）、FF（填充因子）。而这些参数与聚合物的吸收光谱、电荷载流子密度、电子能级、溶解性以及聚集和形貌有着密切关系。首先，我们希望共轭聚合物材料在可见-近 红外区应该具有宽而强的吸收，从而有利于Jsc的提高；另外，我们需要给体材料有高的空穴迁移率，受体材料有高的电子迁移率，并且

尽量保证空穴电子传输平衡；因为给体和受体的LUMO能级差必须满足一定条件才能实现激子分离，而且受体的LUMO和给体的HOMO 能级差值决定电池的Voc，所以在保证较窄的带隙和激子的有效电荷分离的前提下，适当降低给体的HOMO能级或提高受体的LUMO能级可以提高聚合物太阳能电池的Voc，从而提高电池的能量转换效率。因为这种电池的活性层是由给/受体的混合溶液涂膜制备的，因此给体和受体材料都需要有好的溶解性和成膜性。最后，给体和受体的适度聚集可以增强材料对材料对太阳光的吸收和提高载流子传输性能，但过度聚集会影响给/受体的互穿网络结构的形成，从而影响激子解离，所以我们希望给体和受体光伏材料具有适度的聚集和优化的互穿网络结构的性能。下面将基于以上几点对以下具体的聚合物材料做介绍。 一、p-型共轭聚合物作为给体光伏材料 1、聚噻吩衍生物 聚噻吩在导电聚合物和共轭聚合物光电子材料方面都占有重要 地位。在掺杂导电聚合物方面，聚噻吩与聚吡咯和聚苯胺一起是研究得最多的导电聚合物材料。尤其值得指出的是，得到商品化应用的透明导电聚合物PEDOT：PSS（被广泛应用于聚合物发光二极管和聚合物太阳电池的阳极修饰层、透明防静电涂层和导电聚合物的固体电容器中）就是一种聚噻吩衍生物。高导电的PEDOT：PSS也被用作柔性透明导电电极材料。 2002年，Alivisatos等在研究共轭聚合物、CdSe半导体纳米棒杂

2022年进入终端市场全面解读全固态锂电池

2022年进入终端市场！全面解读全固态锂电池 全固态锂电池从20 世纪50 年代就开始研究，已历时半个多世纪。近年来，面向电动汽车应用的全固态锂电池终于开始从实验室走向产业化小批量制造。目前，在新型化学电源领域的各类公开场合“全固态锂电池”的出现频率越来越高，业内也基本形成了共识：全固态锂电池有望作为下一代动力电源进入市场，但究竟什么是全固态锂电池？相信也有很多人存在着困惑，为此，我们特写此文以求为全固态锂电池“正名”，以供大家参考。 1全固态锂电池的概述 全固态锂电池，是一种使用固体电极材料和固体电解质材料，不含有任何液体的锂电池，主要包括全固态锂离子电池和全固态金属锂电池，差别在于前者负极不含金属锂，后者负极为金属锂。 图一：传统液态锂离子电池与全固态锂离子电池示意图 从出现的时间节点来看，全固态金属锂电池要早于液态锂离子电池，只不过在早期，全固态金属锂电池的电化学性能、安全性、工程化制造方面一直无法满足应用要求。液态锂离子电池通过不断改进，综合技术指标逐渐满足消费电子类市场应用需求，后来被更多的市场所接受。从技术发展趋势来看，相比液态锂离子电池，全固态金属锂电池有可能具有安

全性能好、能量密度高和循环寿命长等优点。近年来，固体电解质材料，特别是硫化物电解质材料在离子电导率方面取得了重大突破，因此全固态锂电池技术渐渐开始引起世界范围内的研发机构和大型企业的重视。 2全固态锂电池的分类 伴随着全固态锂电池热的兴起，各种“全固态”或“固态”概念的锂电池相继出现，存在着混淆概念的现状。特将已出现的七类跟固态锂电池相关的概念进行了梳理，并进行了初步的总结。 液态锂电池：电芯在制造过程中不含有固体电解质，只含有液体电解质的锂电池，包括液态锂离子电池和液态金属锂电池。 凝胶电解质锂电池：电芯中液态电解质以凝胶电解质形式存在，电芯中不含固体电解质，这实际属于液态锂离子电池范畴。 半固态锂电池：电芯电解质相中，质量或体积的一半是固体电解质，另一半是液体电解质；或者电芯中一端电极是全固态，另一端电极中含有液体。 准固态锂电池：电芯的电解质中含有一定的固体电解质和液体电解质，液体电解质的质量或体积小于固体电解质的比例。固态锂电池：电芯中含有较高质量或体积比的固体电解质，同时含有少量液体电解质的电池，被一些研究人员称之为“固

太阳能电池的研究与发展

太阳能电池的研究与发展 文献综述 摘要：能源是人类不可忽视的一个问题，因为它同我们的生活息息相关并且制约着未来经济的发展。面临非可再生能源被大规模地开采利用，其储量越来越少，总有枯竭之时这样一个现实问题，可再生能源显得尤为重要，因为可再生能源可以循环再生，不因长期使用而减少。而我国作为一个能耗大的国家，考虑到我国资源情况及国际环境和我国的环境状况，若到22世纪初不能用核能、太阳能等这些非化石能源代替化石能源，那么我们国家、我们民族的发展都会受到严重的影响。 太阳能具有环境友好、与之不尽用之不竭等特点，由此在可再生能源中的位置得以突显。而本文选择从光伏发电这个方面来说明太阳能电池的研究与发展。讲述了太阳能光伏发电的模式，输送方式及原理等。 关键词：太阳能；光伏发电；独立光伏发电；并网光伏发电；分布式光伏发电 1引言 能源是现今人类不得不考虑的一个重大问题，面临着严峻的能源形势和生态环境的恶化，人们对于绿色能源的需求显得迫切起来。改变现有能源结构、发展可持续发展的绿色能源已成为世界各国极为关注的课题。 化石燃料为不可再生能源，随着社会的进步与发展，人类对能源的需求量日益增大，所以化石燃料是无法满足的。除此之外，化石燃料煤、石油和天然气都是含碳元素的物质．其中还含硫元素等杂质。这些燃料燃烧时，会产生二氧化硫等污染空气的气体，燃料燃烧不充分，会产生一氧化碳和碳粒，加上未燃烧的碳氢化合物，如果直接排放到空气中必然对空气造成污染。因此，对于可再生能源的概念中最重要的要保证两点：第一，要求提供的可再生能源的源头是巨大的、无限制的。第二，从整体技术效率而言，要有明显的安全保障性。从这两点出发，显现了太阳能的利用在可再生能源中领域中的重要地位。 太阳能发电分光热发电和光伏发电。但不论产销量、发展速度和发展前景、光热发电都赶不上光伏发电。光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。

固体氧化物燃料电池(SOFC)研究现状

固体氧化物燃料电池(SOFC)研究现状 伍永福，赵玉萍，彭军 内蒙古科技大学（014010） 摘要：燃料电池在运行过程中具有良好的安全可靠性、环境友好性、可操作性和灵活性，这些优点赋予了燃料电池极强的生命力和长远的发展潜力。本文就固体氧化物燃料电池的研究现状阐述了固体氧化物燃料电池的原理、特点及电池材料的研究进展，就Ni基阳极燃料电池存在的问题，提出在寻找Ni基阳极的替代阳极方面，（一是氧化物阳极，如（Ba/Sr/Ca/La）MxNb1-x O3-δ阳极；二是其他金属基阳极，如Cu基阳极。）作进一步研究的必要。 0.6 关键词：固体氧化物燃料电池，电导率，扩散，极化 1、固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展概况 热电厂首先经燃料的燃烧把化学能转变为热能，再由热能转变为机械能，最后把机械能转变为电能，受卡诺循环的制约，在最好的条件下能量转化率也只有35%，实际情况不到20%。燃料电池是继水力、火力、核能发电技术后的第四类新型发电技术，它是一种不经燃料燃烧直接将化学能转变为电能的高效发电装置。由于不受卡诺循环的限制，燃料电池的理论效率达80%以上，实际效率可达50%—60%。其反应产物主要是水和二氧化碳，而且向大气中排放的有害物质很少，故造成的环境污染很低。另外，占地面小，建设周期短，可实行模块式组装，运行质量高、噪音小；使用方便灵活，既可用于中央集中型的大型电厂，也可作为电动汽车，轻型摩托的小型驱动电源。燃料电池在运行过程中具有良好的安全可靠性、环境友好性、可操作性和灵活性，这些优点赋予了燃料电池极强的生命力和长远的发展潜力[1]。 现在正运行的燃料电池都是用H2作燃料，或者碳氢化合物重整出H2，操作费用高，而且电池寿命不长，特别是使用碳氢化合物的电池更是如此。由于H2的制作费用较高，而且其运输、储存都很不方便，并隐含着危险，所以用H2作燃料的燃料电池难于实用化。而炭氢燃料在大自然储量比较丰富，有的(如CH4)不仅较容易制取，而且有利于环境的保护，因此现在固体氧化物燃料电池向着燃料多元，低温度操作方向发展。 早在1839年英国人William Grove就报道了燃料电池的工作原理，但固体氧化物燃料电池的起步却比较晚，1899年Nerest发现了固体氧化物电解质，1937年Baur和Preis首次操作固体氧化物燃料电池，其工作温度为1000℃。自此，固体氧化物燃料电池取得了很大的进展。特别是本世纪70年代末，材料科学的迅速发展使其研究开发工作更加令世人瞩目。目前已经开发成功的固体氧化物燃料电池主要有两种类型，它们分别以氧离子和质子作电池的电荷载体。其中，基于氧离子传导的固体氧化物燃料电池是研究较多且相对成熟的一种。 2、固体氧化物燃料电池(SOFC)的工作原理与特点 2.1、SOFC工作原理 固体氧化物燃料电池(SOFC)是继磷酸盐燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)之后，第三代燃料电池，其工作温度一般在600－1000℃左右，工作原理如图(1)所示，电动势来源于电池两侧不同的氧分压。其单体电池是由正负两个电极(负极为燃料电极，正极为氧化剂电极)以及电解质组成。阳极、阴极的主要作用是导通电子和提供反应气体、产物气体的扩散通道。固体电解质将两侧的气体分隔开来，由于两侧氧分压的不同，产生了氧的化

体型无机全固态锂离子电池研究进展

第45卷第6期2017年6月 硅酸盐学报Vol. 45，No. 6 June，2017 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY https://www.wendangku.net/doc/995140553.html, DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2017.06.06 体型无机全固态锂离子电池研究进展 陈凯1，程丽乾2 (1. 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心，北京 102211； 2. 中国矿业大学(北京)材料科学与工程系，北京 100083) 摘要：体型无机全固态锂离子电池具有无安全隐患、使用温度范围广、能量密度高以及循环寿命长等优势，是未来锂离子电池的发展趋势，然而高性能全固态电池的制备仍然是研究中的难点和热点。围绕不同的制备方法，对体型无机全固态锂离子电池的结构设计、界面问题、容量性能、能量密度和循环性能的研究进展进行综述，并着重讨论了提高固态电解质综合性能、改善电极层与固态电解质层间界面问题以及合理设计电池结构的原则和方法。 关键词：全固态；锂离子电池；固态电解质；无机；体型 中图分类号：TQ174.75 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2017)06–0785–08 网络出版时间：2017–05–02 14:40:49 网络出版地址：https://www.wendangku.net/doc/995140553.html,/kcms/detail/11.2310.TQ.20170502.1440.006.html Development on Bulk-type Inorganic All-solid-state Lithium Ion Batteries CHEN Kai1, CHENG Liqian2 (1. Beijing Aeronautical Science & Technology Research Institute of COMAC, Beijing 102211, China; 2. Department of Materials Science and Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China) Abstract: The bulk-type inorganic all-solid-state lithium ion batteries possess some advantages like no safety concern, wide operation temperature range, high energy density and long cycling life. However, the fabrication of high-performance all-solid-state lithium ion batteries is still a challenge. Recent development on the structure design, interface problem, capacity performance, energy density and cycling property of the bulk-type inorganic all-solid-state lithium ion batteries fabricated by different methods was reviewed. In addition, the principles and methods to improve the combination properties of solid electrolyte, modify interfaces between electrode layer and solid electrolyte layer, and design battery structures were also discussed. Keywords: all-solid-state; lithium ion battery; solid electrolyte; inorganic; bulk-type 锂离子电池能量密度高、稳定性强、无记忆效应、循环寿命长，作为一种商业化的高效储能器件得到了广泛应用。尽管发展历史较短，锂离子电池在便携式电子设备等领域成功取代了原有的镍氢电池和镍镉电池。在电动汽车、储能电站、新能源利用等领域，锂离子电池也扮演着极其重要的角色[1]。波音公司最新型的B787飞机首次在民航客机中使用锂离子电池，实现了飞机减重和简化维修等目的，表明了锂离子电池在民用航空领域也有潜在的应用前景。 然而，由于商用锂离子电池中使用易燃的有机电解液，当电池处于高温、短路、过充或者物理损伤等状态时，极易引发火灾甚至爆炸[2]。商用锂离子电池在封装时会采用适当的保护机制，但是仍然存在较大的安全隐患[3] 。近年来由于锂离子电池火灾引发的智能手机、电动汽车、民航飞机等安全事故时有发生，极大地限制和影响了锂离子电池的实际应用。 无机全固态锂离子电池使用不可燃或不易燃的无机固态电解质代替商用锂离子电池中的有机电解液，可以从根本上解决锂离子电池的安全问题[4–6]。同时，无机全固态锂离子电池相比传统商用锂离子 收稿日期：2016–12–04。修订日期：2016–02–05。 基金项目：国家自然科学基金(51602345)；新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室(清华大学)(KF201512)。 第一作者：陈凯(1987—)，男，博士，工程师。Received date:2016–12–04. Revised date: 2016–02–05. First author: CHEN Kai(1987—), male, Ph.D., Engineer. E-mail: chenkai4@https://www.wendangku.net/doc/995140553.html,