第七章其他类型的电池

镍氢电池密封镍氢电池内部压力高达4MPa。镍氢电池现主要应用于混合电动车。HEV市场占56%，零售市场（包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机）占24%，无绳电话占11%，其他市场为9%。世界镍氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的95%以上。全球镍氢电池70%以上在中国生产，中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇、科力远、力可兴、三普、迪生、三捷、量能、格瑞普等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。镍氢电池由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢壳，顶盖，密封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，然后密封在钢壳中的。在方形电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。镍氢电池是以氢氧化镍作为正极，储氢合金作为负极，氢氧化钾溶液做电解液。储氢合金材料AB5:LiNi5,MnNi5,CaNi5,AB2:ZrMn2,TiCr2,ZrV2,ZrMn2,AB:TiFe,TiCo,TiNi

A2B:Mg2Ni,Mg2Cu储氢合金的共同特点是在低温低压下能够可逆地吸收、释放氢。工作原理其正极为氧化镍，负极为氢电极。它的工作状态可以划分为3种：正常工作状态、过充电状态和过放电状态。在不同工作状态下，电池内部发生的电化学反应是不同的。镍氢电池设计时，容量实际上是由正极限制的，负极容量设计过剩，以保证过充电时候，正极产生的氧气可以到负极反应，电池的内压不会有明显升高。镍氢电池的优、缺点它的初始成本较高，电池自放电速度较大，以及有爆炸的可能性。这种电池的突出优点是寿命长，1977年起在地球同步轨道条件下工作寿命超过10年。此外，它承受过充电和过放电的能力很强。镍氢电池的应用前景镍氢电池的前景十分乐观，随着研究工作的进展，最终将在航天领域内取代镉镍电池电动车？长期不用的电池保存和恢复方法镍镉电池和镍氢电池特性不同，保存方法不同。镍镉电池应将电用完保存，所以一般新镍镉电池是基本没有电的，需要自己来充。采用正确的充电方法，大概需要充放3－5次才能将电池恢复到最佳状态。镍氢电池要长期保存前，应该充电到80％左右保存。因此新的镍氢电池有一些电，因为厂家已经预充电，防止运输周转时间太长，而电池没电受到影响。长期保存的镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用正确方法充放2－3次就可以恢复到最佳状态。锌-空气电池原理

锌空气电池是一种金属－空气电池，以电极电位较负的金属锌作负极，空气中的氧或纯氧作正极活性物质，中性或者碱性的电解质水溶液作为电解液。碱性锌-空气电池可以表达为：（–）Zn|KOH|O2(空气)（+）该类型电池的反应原理为：阳极（锌负极）反应：Zn2e=Zn2+

阴极（空气电极）反应：1/2O2+H2O+2e=2OH-总的电池反应：Zn+1/2O2=ZnO氧在空气电极中进行还原时，首先要通过溶解进入电解液，在液相中扩散到电极表面后进行化学吸附，最后再进行电化学的还原反应。这个过程可以简要地表示为：O2O2溶

O2扩

O2吸

OH－

实验中空气电极采用的是疏水透气结构。该电极由防水透气层和多孔催化层加集流导电网组成。

溶解扩散化学吸附电化学还原电池在设计时应遵循以下原则

1、电流密度分布均匀2、合适的工作电极面积3、合适的电解液体积4、电池结构简单，操作方便

用电子天平精确称量配比一定的二氧化锰、活性炭、胶体石墨1、催化层的制备：电池制备将称量好的混合物放入烧杯中，加无水乙醇进行分散，在60℃水浴中加热，边搅拌边添加PTFE乳液，加热至混合物成稀面团状。恒温水域锅对辊机取出稀面团，在对辊机上反复对辊10次左右，使PTFE逐渐纤维化直至成为柔软而有韧性的薄膜。2、防水层的制备：将配比一定的聚四氟乙烯（PTFE）和无水硫酸钠混合，制备工艺与催化层的制备类似，制得防水层。将制得的防水层放入蒸馏水中，在70℃时反复清洗三次，以除去无水硫酸钠。滤纸塑料薄膜防水层导电网催化层下压头上压头空气电极成型过程图3、将制备好的催化层切下放在镍网上，另一侧放防水层，外边包上滤纸（防止催化层或防水膜粘在压片机上），在一定压力下冷压，即制成空气电极。其形状、排列方式及成型过程如图所示。压片机简易的锌－空气电池模型将制备出的空气电极和锌片及KOH电解液组成锌－空气电池将制备出的锌－空气电池，进行放电实验超级电容器超级电容器应用背景优良的脉冲充放性能大容量储能性能比能量大于2.5Wh/kg比功率大于500W/kg循环寿命长（>105次）环境适应性强无记忆效应免维护对环境无污染高功率军事装备的激发器军用坦克、卡车瞬间启动数据记忆存储系统系统主板备用电源电动玩具车主电源太阳能电池辅助电池通讯设施、计算机备用电源电动汽车电源能量存储装置比较元器件比能量Wh/kg比功率W/kg充放电次数普通电容器<0.2104~106>106超级电容器0.2~20.0102~104>105充电电池20~200<500<104超级电容器以及电极材料分类双电层电容器（EDLC）法拉第准电容器混合类型电容器碳素材料：成功商业化，性价比高。金属氧化物材料：RuO2为主，导电性好，比容量大，循环寿命长，价格高，污染。导电聚合物材料：工作电压高但电阻大。

杂多酸：具有固体电解质的优点，使用方便。碳基超级电容器(EDLC)原理多孔碳、活性碳理论比容量:若比表面积为1000m2/g，则电容器比容量为250F/g。活性碳：通过活化处理后，微孔数量增加，比表面积增大。3000m2/g的活性碳，实际表面利用率仅为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的微孔是不能形成双电层。活性碳纤维基体材料是沥青和聚合物材料：人造纤维、酚醛树脂、聚丙烯腈。比容量为280F/g，比功率大于500W/kg。

平均细孔孔径为2～5nm，细孔容积0．3～1．5ml/g，比表面积达1500～3000m2/g。松下电器：导电性能优良的酚醛活性碳纤维。Hiroyuki等采用热压成型法制备的高密度活性碳纤维，其密度为0.2～0.8g/cm3，这种材料的电子导电性远高于活性碳粉末电极，双电层电容器的电容值随高密度活性碳纤维密度的提高而增大。

碳凝胶材料性能质轻、大比表面积、中孔发达、导电性良好、电化学性能稳定的纳米级的中孔碳材料。孔隙率达80％～90％，孔径3～20nm，比表面积400～1100m2/g，密度范围0.03～0.8g/cm3，电导率10～25S/cm。

克服使用活性碳粉末和纤维作电极时存在的内部接触电阻大，含有大量不能被电解液浸入的微孔，比表面积得不到充分利用的问题，是制备高比能量、高比功率电化学电容器的理想电极材料。

碳凝胶制备有机凝胶的形成：得到空间网络状结构的凝胶超临界干燥：不破坏凝胶结构而把空隙内溶剂脱除碳化过程：脱去挥发分又不破坏凝胶结构美国的R.W.Pelaka：间苯二酚（R）和甲醛（F）

RF凝胶，成本高

密胺（M）和甲醛（F）

MF凝胶，密度大，比表面积未降低

热塑性酚醛树脂（P）和糠醛（F）

PF凝胶，成本低，周期短碳纳米管材料特点碳纳米管材料的优越性：比表面积大、微孔集中在一定范围内(2～5nm)，应具有比活性碳电极高得多的比表面利用率。Niu报道其基于碳纳米管薄膜电极的比表面积为430m2/g时，比容量可达40F/g，碳纳米管电极的电容量达到理论双电层电容量的57％。中空结构。如能使电解质溶液浸润碳纳米管内腔，电容量将明显提高。最高容量可达l13F/g(0.001Hz)，在0.1Hz时，其容量可达108F/g，在100Hz时还有49F/g，这个转变频率远远高于活性炭的1Hz。体现了相对高频放电的优点，这同样也预示着由碳纳米管为电极材料做的电容器具有高的能量密度，而实验结果也确实证明它具有＞8kW/kg的能量密度。碳纳米管改性利用剩余的SP3杂化轨道引入官能团，产生法拉第准电容。E.Frackowiak证实表面官能团参与氧化还原反应故会形成准电容，比电容从80F/g增至137F/g。E．Frackowiak:掺金属锂的碳纳米管电极在LiClO4电解液中在1．5～3V之间充放电时，表现出良好且独特的高压下的双电层电容效应，容量可达30F/g(非水电解液)。K.Jurewicz在碳纳米管上包覆导电聚合物吡咯，利用吡咯良好的导电性和碳纳米管的开口、中孔网络以及优异的离子导电性，设计一种复合物电极材料用于超级电容器。在纯碳纳米管电极的电容量为50F/g情况下，这种复合电极的电容量可达163F/g。掺杂75％的Ru02·xH20时，电容器的比容量可达107F/cm3，即600F/g。孔径分布对性能影响Denyang

Qu研究结果表明，孔径越大，电化学吸附速度越快。GambyJ采用中孔孔容和总孔容比为41％的粉末活性碳获得80F/g的单电极比容。Soshi

Shiraishi

制备了中孔活性炭纤维比容明显大于普通活性炭纤维。LeeJinwoo等平均孔径为2.3nm的中孔碳，制成电容器的能量密度和功率密度特性都明显优于分子筛碳。另外，具有更多2nm以上孔径的碳电极其低温容量减小得更慢。中孔碳材料制备方法主要有：催化活化法，混合聚合物碳化法，模板碳化法。

表面特性对性能影响A．Yoshida等研究结果表明，随着ACF表面含氧官能团含量的增加，电容器的表观漏电流增加。K．Hiratsuka等研究发现碳电极表面氧含量越多的，容量降低也越多。X.Liu在研究发现，经过电化学氧化处理后碳电极容量从135F/g增加到171F/g，氧化处理后进行还原处理，容量增加更明显，增加到215F/g。认为主要是由于碳材料氧化后表面含氧官能团含量增加而引起的。从制备高容量、耐高压、稳定性好的电容器角度出发，希望活性碳材料表面的官能团有一个合适的比例。

展望比表面积与孔分布：向着提高有效比表面积和可控微孔孔径的方向发展。表面性能、比容量与稳定性：表面官能有一个合适的比例；须开发新的活性碳原料、活化技术。比表面积与内阻：从材料本身结构出发。太阳能电池主要内容太阳能电池的发展历史

太阳能电池定义和分类太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的生产工艺太阳能电池的应用

太阳能电池的发展历史

1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，幷首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8％。1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近10几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。世界太阳能电池发展的主要节点1954美国贝尔实验室发明单晶硅太阳能电池，效率为6％1955第一个光伏航标灯问世，美国RCA发明GaAs太阳能电池1958太阳能电池首次装备于美国先锋1号卫星，转换效率为8％。1959第一个单晶硅太阳能电池问世。1960太阳能电池首次实现并网运行。1974突破反射绒面技术，硅太阳能电池效率达到18％。1975非晶硅及带硅太阳能电池问世1978美国建成100KW光伏电站1980单晶硅太阳能电池效率达到20％多晶硅为14.5％，GaAs为22.5％1986美国建成6.5KW光伏电站1990德国提出“2000光伏屋顶计划”1995高效聚光GaAs太阳能电池问世，效率达32％。1997美国提出“克林顿总统百万太阳能屋顶计划，日本提出“新阳光计划”1998单晶硅太阳能电池效率达到24.7％，荷兰提出“百万光伏屋顶计划”2000世界太阳能电池总产量达287MW，欧洲计划2010年生产60亿瓦光伏电池1998年以前，单晶硅电池占世界光伏生产的主导地位从1998年开始，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从20世纪80年代初开始商业化生产，但由于效率低和光衰减问题，市场份额增加不快。太阳能电池定义和分类太阳能电池，又称光伏器件，是一种利用光生伏特效应把光能转变为电能的器件。它是太阳能光伏发电的基础和核心。太阳能电池分类按结构分类同质结太阳电池异质结太阳电池肖特基太阳电池按材料分类硅太阳电池敏化纳米晶太阳电池有机化合物太阳电池塑料太阳电池无机化合物半导体太阳电池按光电转换机理传统太阳电池激子太阳电池太阳能电池的结构及工作原理太阳能电池的结构太阳能电池发电原理光线照射在太阳能电池的界面层，具有足够能量的光子可以将P型硅和N型硅中的电子激发，产生电子-空穴对。电子向带正电的N区，空穴向带负电的P区运动。在P区和N区之间产生一个可测试的电压。开路电压的典型数值为0.5-0.6V。产生电子-空穴对越多，电流越大。太阳能电池的应用上世纪60年代，科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电，上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切，