电化学全套课件

應用電化學

緒論§1.1前言§1.2電化學科學的發展簡史§1.3電化學科學涉及的領域§1.4我國著名電化學家簡介§1.1前言1.什麼是應用電化學----從氯堿工業說起現已形成三大電化學工業體系：電解、電池、電分析。電化學應用範圍很廣，在國民經濟很多部門發揮巨大作用。電化學的實際應用大致分為：（1）電化學合成：如氯堿工業、合成己二腈。（2）金屬的提取與精煉：熔鹽電解制鋁、精煉銅。（3）化學電源：1859年普蘭特（Planet）發明了鉛酸電池。鋅錳電池；太陽能電池、燃料電池、手機中的鋰電池等。（4）金屬腐蝕與防護：電化學腐蝕與防護、緩蝕劑。（5）物體表面修飾：電鍍、電泳塗漆。（6）電化學分離技術：電滲析、電浮離等。（7）電化學分析技術：應用於工農業、環保及醫藥衛生等。2.電化學應用領域§1.2電化學科學的發展簡史1.電化學熱力學發展（1799~1905）

1799義大利物理學家伏打發明第一個化學電源1833法拉第定律1870亥姆霍茨提出雙電層概念

1889能斯特提出電極電位公式

1905塔菲爾提出塔菲爾公式2.電化學動力學發展（20世紀40年代）電化學動力學：研究電極反應速度及其影響因素弗魯姆金等析氫過程動力學雙電層結構研究取得進展格來亨用滴汞電極研究兩類導體介面3.理論和實驗技術突破性進展（20世紀60年代）

理論方面：非穩態傳質過程動力學表面轉化步驟複雜電極過程電子傳遞理論R.A.Marcus1992諾貝爾化學獎

實驗技術方面：介面交流阻抗法暫態測試方法線性電位掃描法旋轉圓盤電極系統電化學in-situ測試技術4.電化學理論新發展（20世紀80年代以後）

將量子力學引進電化學領域形成量子電化學。與環境科學結合形成環境電化學。與材料結合形成材料電化學。與光結合形成光電化學。

與半導體結合形成半導體電化學。與生物化學結合形成生物電化學等等。

德國科學家（GerhardErtl）因對固體表面化學研究取得的傑出成就榮獲2007年度諾貝爾化學獎。

10月10日，瑞典皇家科學院發佈的頒獎聲明稱，埃特爾在表面化學方面進行了開創性的研究，這些研究對化學工業非常重要，同時也幫助人們理解各種不同的化學過程，比如鐵是如何生銹的、燃料電池如何工作以及汽車催化劑如何發揮作用，甚至可以解釋臭氧層為何遭受破壞等等。（1）電化學概念內涵的改變電化學（近代約1800-1940年）電化學是研究電能和化學能之間的相互轉化及轉化過程中有關現象的科學。電化學（現代約1940-1980年）是研究帶電介面上所發生現象的科學。電化學（1980年以後）是控制離子、電子、量子、導體、半導體、介電體間的介面及本體溶液中荷電粒子的存在和移動的科學技術。電化學是邊緣學科interdisciplinary/多領域跨學科multidisciplinar/超領域transdisciplinary

量子電化學quantumelectrochemistry1999年提出了“電化學材料科學（ElectrochemicalMaterialsScience，EMS）”的概念。§1.3電化學科學涉及的領域目前國際上認為，電化學材料科學可劃分為材料的電化學製備學、材料的電化學、電化學的材料學三個大的方面.具體研究內容包括能源材料、材料電化學製備、電極材料、電解材料、電池材料、表面工程、電化學加工、電化學傳感資訊材料、材料腐蝕與防護技術、材料的電化學表徵等。特徵：電化學領域橫跨純自然科學（理學）和應用自然科學（工程、技術）兩大方面，而且各個領域都建立在共同的基礎（電化學）之上。1980年以後在跨學科和邊緣領域取得了極大的進展。應用領域非常廣，這也表現在學術組織上，目前國際電化學學會（internationalsocietyofelectrochemistry,縮寫ISE）將其會員的活動分為8個大組進行，各自涵蓋的學術領域如下:

一、介面電化學固/液導電表面和介面的結構狀況雙電層結構電子和離子轉移過程的理論電催化理論光電化學電化學體系的統計力學和量子力學方法二、電子導電相和離子導電相金屬、半導體、固態離子導體、熔鹽、電解質溶液、離子/電子導電聚合物，以及嵌入化合物等的熱力學和傳輸性質。三、分析電化學用於化學分析、檢測和過程控制的電化學方法與裝置（如直流電法、交流電法和電位法等技術）電化學感測器（包括離子選擇性電極和固態器件）。四、分子電化學無機物、有機物和金屬有機化合物電極過程的機理和結構狀況，以及在合成中的應用。五、電化學能量轉換能量的電化學產生、傳輸和儲存蓄電池燃料電池光電化學過程與裝置六、腐蝕、電沉積和表面處理材料腐蝕與保護的電化學鈍化電化學固相沉積與溶解過程的理論應用（包括電鍍、電拋光、微建造和電化學成型）七、工業電化學和電化學工程工業電化學過程的基本概念及工藝學環境及能量狀況電解槽設計、放大與優化電化學反應器理論品質、動量和電量傳遞的基本問題工程應用的電化學裝置八、生物電化學生物體系組分的氧化還原過程生物膜及其模型物的電化學電化學生物感測器電化學技術在生物醫學中的應用由此可見，現代電化學是一門交叉學科，也是應用前景非常明顯的學科。在過去的半個世紀中，電化學已為解決能源、材料、環境等的相關問題發揮了不可低估的作用，毫無疑問，在21世紀中該學科必將繼續為解決人類面臨的這些重大問題發揮更加顯著的作用。1．高性能儲氫/制氫和儲鋰新體系及聚合物電解質中氫離子和鋰離子的傳輸機理

2．直接型燃料電池新體系和生物燃料電池；

3．用輕元素及其化合物組成儲/制氫材料及可充電多電子過渡金屬化合物電極；

4．超級電容器和氧化還原液流電池等特殊電化學儲電裝置；

5．質子膜燃料電池的成流機理和衰退機理和新型質子膜材料；

6．（公交）車用動力電池的衰退機理和迴圈及再生回收；

7．基於光電化學原理的新光伏電池體系和電池運行新型機制。

我國電化學“十一五”學科發展規劃一移動式電源和再生式能源是當今能源發展中的重要方面發展各類材料的電化學製備新方法

1．電化學方法製備新型環境友好和生物醫用材料；

2．新型低能耗的電化學製備材料方法；3．基於電化學原理的新型微米/納米加工方法；

4．基於離子液體體系的電化學新方法等；

5．材料保護、防腐、迴圈使用(包括材料表面處理)的電化學新方法。1．生物膜與仿生介面的電荷傳輸、物質傳輸與能量轉換以及生物膜內源性電場的實驗和理論；

2．生命活動過程中的電生理現象（肌肉、神經、腦等等）的電化學機制探索；

3．研究生物大分子的電子傳遞機制及分子間弱相互作用的（譜學）電化學方法；

4．對細胞各種行為的影響和控制的電化學方法；

5．生命活動過程電活性粒子（物質）的定向有序專一的傳遞、傳導或轉移。

基於生命體系中廣泛存在（電解質）水和各類電荷傳輸的特點，電化學在生命領域所扮演的重要角色將日益凸現1．晶片、微感測器和微系統製造過程中的電化學技術和理論;

2．結合微系統技術製備微電解池和微電池體系以及組合電化學體系；

3．基於微系統技術的電化學感測器微型化和集成化；

4．超分子化學、自組裝、分子印跡和分子遺傳學等在電化學感測器的應用；5．電化學法制備納米器件或分子器件的探索。四電化學在資訊和環境領域中的最大挑戰是在微晶片、微感測器和微系統製造方面的研究工作1．複雜電化學相界（如三相界、固－固、膜－液、液－液等）的結構、性質與過程；

2．微米/納米尺度上的複雜（限域）電化學體系和相關過程的實驗和理論方法；

3．複雜體系（凝聚相、膜、超微孔、凝膠）中的離子/電子輸運過程的理論與實驗；

4．電化學方法與現代物理表徵技術和生物技術相結合的實驗與理論等。五電化學在以上學科交叉領域中所面臨的挑戰也對於電化學自身發展和解決本學科重大問題帶來難得機遇查全性，江蘇南京人，中國科學院院士1925生，1950年畢業於武漢大學化學系。1957年赴蘇聯莫斯科大學進修。歷任武漢大學副教授、教授、化學系主任，中國科學院化學部委員，國務院學位委員會第二屆學科評議組成員，中國化學會第二十二屆常務理事。專於電化學。1979-1984年期間擔任武漢大學化學系主任。先後擔任《化學學報》、《高等化學學報》和《物理化學學報》等學術期刊編委。

1.4我國著名電化學家簡介近五十年來一直從事有關電化學的教學和研究工作，研究領域涉及電極/溶液介面的吸附、電化學催化、半導體電化學、高比能化學電源、燃料電池、生物電化學等，迄今已在國內外學術期刊上發表200餘篇科學論文。80年代以來主要從事光電化學催化、高比能鋰電池及生物酶電極研究，並創建了適用於研究粉末材料電化學性質的粉末微電極方法。其研究成果表面活性劑吸附規律、電化學催化等工作於1987年獲得國家自然科學三等獎。所著“電極過程動力學導論”是我國電化學界普遍使用的教材和參考書。

田昭武，福建福州市人，男，廈門大學教授，中國科學院院士，英國威爾士大學名譽理學博士，固體表面物理化學國家重點實驗室主任，中國科協全國委員，國際電化學學會會刊副主編，《電化學》主編，中國人民政治協商會議全國常務委員。

1949年廈門大學化學系畢業,歷任廈門大學校長,中國化學會理事長,福建省科協主席,國家教委化學教學指導委員會主任委員,國際電化學學會理事及第46屆年會主席，國際太陽能光化學轉化與儲存會議組織委員及第九屆會議主席。曾獲:1986年國家教委科技進步一等獎,1987年國家教委科技進步二等獎,1987年國家自然科學三等獎,1990年國家發明三等獎等。田中群，物理化學家。廈門大學教授。1955年生於福建廈門。1982年畢業於廈門大學化學系，1987年獲英國南安普敦大學化學系博士學位。現任固體表面物理化學國家重點實驗室主任，英國皇家化學會高級會員。2005年當選為中國科學院院士。2008年3月當選為第十一屆全國政協常委。

1999獲香港求是基金會“傑出青年學者獎”，2001年被聘為長江學者計畫特聘教授，2001年獲中國高校科學技術進步一等獎。現為國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)物理化學和生物物理化學委員會銜稱委員，英國皇家化學會資深會員，國際拉曼光譜大會執行委員會委員，中國化學會電化學委員會主任。擔任ChemComm.,J.RamanSpectroscopy，Phys.Chem.Chem.Phys.，《中國科學》等雜誌的顧問編委或編委。汪爾康，1933年5月生於鎮江電分析化學的領軍人物，中科院院士1952年畢業於上海市滬江大學化學系。畢業後分配到長春應用化學研究所工作。1955年選派捷克斯洛伐克科學院學習，1959年獲副博士學位。回國後仍在長春應化所供職，1982年為研究員、博士生導師，1992-1996年任所長，並曾兼任國家電化學和光譜分析研究中心主任等職務。1991年當選中科院院士。中國分析測試協會副理事長，國家自然科學基金委(環境)分析化學學科基金評審組組長，化學科學部專家諮詢委員會委員，中國化學會常務理事，分析化學委員會主任等。他在我國率先從事液/液介面電化學研究，提出並建立線性電流掃描法等多種電化學研究方法。他較早開展液相色譜/電化學的研究，提出並設計了各類微電極、陣列微電極、多指示電極及各類化學修飾電極和水/固化硝基苯薄層池電化學檢測器與液相色譜聯用，發展了一系列靈敏選擇分析各類通常較難測定的檢測物的液相色譜/電化學測定方法。董紹俊中科院院士

吳浩青

復旦大學教授中科院院士（1914-2010）江蘇宜興人。1935年畢業於浙江大學化學系，曾在浙江大學、湖南蘭田師範學院、上海滬江大學等校任教，1952年全國院系調整來復旦大學化學系執教，歷任化學系副主任、主任。1980年當選為中國科學院化學部委員，是我國電化學的開拓者之一，致力於銻元素電化學性質的系統研究，確定了鋰的零電荷電勢，得到國際公認，並提出了鋰電池嵌入反應機理，撰有《物理化學》、《化學熱電力》、《電化學動力學》等專著。

1940年生於四川南充,1964年畢業於中國科學技術大學物理系，同年到中國科學院物理研究所工作至今。其間1976～1978年赴西德馬普協會固體所進修；1985年、1990年和1992年曾分別在法國科研中心波爾多固體化學研究所、荷蘭代爾夫特理工大學和日本東京工業大學任客座教授。2001年11月當選為中國工程院院士。

1、他是物理所高溫超導材料研究負責人並參加研製出一系列世界領先水準的高溫超導材料。

2、在國內首先研製成功鋰離子電池。建成我國第一條鋰離子電池中試生產線，產品性能和成品率都處於國際先進水準,解決了鋰離子電池規模化生產的科學技術與工程問題。參予組建了北京星恒電源公司,依靠自己的技術，以國內設備和原材料為主，實現了鋰離子電池的產業化。

中國工程院院士陳立泉

孫世剛，教授，博士生導師，長江學者廈門大學教授

加拿大奎爾夫大學訪問科學家(1988-1989)

法國科學院介面電化學研究所博士後（1986-1987）

法國國家博士

(巴黎居裏大學,1986)

表面電化學,

電化學催化,

譜學電化學,

有機電化學，納米材料和能源電化學

楊勇，教授，“閩江學者”特聘教授，博士生導師。固體表面物理化學國家重點實驗室研究員，“新世紀百千萬人才工程”國家級人選（2004），國務院政府特殊津貼（2006）獲得者，國家傑出青年科學基金獲得者（1999），教育部跨世紀優秀人才（1998）。主要的研究方向為能源電化學與材料物理化學。主要學術成績包括運用多種（譜學）電化學方法對多種具有重要應用價值的電極材料的電化學反應過程進行創新型研究，特別對幾種鋰離子電池電極材料的合成、結構、表面修飾及其電化學性能進行深入的研究。

陳軍，南開大學教授，教育部長江學者特聘教授、國家自然科學基金傑出青年基金獲得者、國家科技部863計畫領域專家，他在新能源材料的研究方面取得了顯著的成就。

吳宇平，復旦大學教授（博導）

1987-1991年在湘潭大學化學系。1994年畢業於中國原子能科學研究院，獲工學碩士學位。1997年畢業於中國科學院化學研究所，獲理學博士學位。1997-1999年在清華大學從事博士後研究工作。1999-2001在日本科學技術振興事業團(JST)的資助下到日本早稻田大學應用化學系工作，並擔任客員研究員。2001-2003年在德國洪堡基金委的資助下到開姆尼茲工業大學(原卡爾×馬克思大學)作訪問學者。2003年8月作為優秀人才引進到復旦大學化學系，聘為教授。

目前的主要研究領域：嵌入電極反應動力學；固體電解質；固態鋰離子電池；納米材料在儲能材料中的應用；微型電池及其材料製備。夏永姚江志裕

任斌廈門大學教授博導主要研究方向

：

表面增強拉曼光譜、針尖增強拉曼光譜、光譜電化學、納米電化學以及表面等離子體光學等。現任中國物理學會光散射專業委員會副主任，《光散射學報》編委。

曾獲中國化學會青年化學獎（2004），首屆中國電化學青年獎（2007），教育部新世紀優秀人才（2005），霍英東青年教師基金（2006），和國家傑出青年科學基金（2008）。獲教育部2001年“中國高校自然科學獎”一等獎（第二完成人）。

第一章電化學基礎知識1電解質活度與正、負離子活度的關係式2正、負離子的活度因數

3離子的平均活度和平均活度因數ØØØ

4電解質溶液的離子強度5電導、電導率和摩爾電導率單位是西門子;符號為S，1S=1Ω-1

電導率，單位為S·m-1

=KcellGAl=Kcellκ

電導率，Λm的單位為S·m2·mol-1。7離子獨立運動定律6離子遷移數8原電池中的電極反應與電池反應及電池圖式Zn(s)｜ZnSO4(1mol·kg-1)CuSO4(1mol·kg-1)｜Cu(s)9能斯特方程式

10標準電極電勢標準氫電極：H+［a(H+)=1］｜H2（p

＝100kPa)｜Pt的標準電極電勢E

=0。11電池電動勢E＝E(右極，還原)－E(左極，還原)

12原電池反應的熱化學測定電池反應的ΔrGm、ΔrSm、ΔrHmΔrGm=-zFE可逆電池的電動勢ΔG

=-zEF

聯繫熱力學與電化學的橋樑。意味著伴隨電池反應發生的自由能變化作為電能被外部取走。電極介面雙電層模型與發展Gooy-Chapman擴散層模型電動勢產生原因：電極介面的雙電層、表面電場13介面雙電層結構雙電層電位金屬內部電位øM

、Helmholtz內層電位ψ2

、外層電位（擴散層電位）ψ1

、溶液電位øS

、ξ電位的關係圖

ξ電位：在擴散層中存在的一個開始發生流動的介面的電位。（電泳、電滲現象使用的電位）。øSψ2ψ1介面電動現象與ξ

電位介面電動現象：介電常數不同的固相-液相介面和帶電的高分子-溶液介面等，可以誘發雙電層。如將這種介面放入電場中，介面兩側異相間會發生相對移動，稱為介面電動現象。電泳：外加電場下，膠體溶液中固相膠體粒子的移動現象。此時，ξ（Zeta）電位也稱為電動電勢。電泳速度v為：v=ξεE/Kπ

η

ε：介電常數，E：電場強度，K：與粒子有關的常數，η：粘度。電滲：外加電場下，多孔質體中液相的移動現象。中如多孔膜毛細管中溶劑化離子的移動，多孔電極中電解液離子的移動等。

v=2ξεE/3Kπ

η電化學體系必須有陽極、陰極和電解質。按反應類型來說，電極反應屬於氧化還原反應，但與一般的有許多不同。電極的作用表現在兩個方面:

一是電子通路，可以使氧化反應和還原反應分別在不同地點進行；

二是電極表面是反應地點，起著相當於異相催化反應中催化劑的作用。所以，可以將電極反應看作是特殊的異相氧化還原反應。14電化學體系三要素電極反應定律法拉第定律通電於電解質溶液中，（1）在電極上起作用物質的數量與通入的電量成正比；（2）將幾個電解池串聯，通入電流後在各個溶液的兩極上起作用物質的當量數相同。法拉第定律可描述為：Q=nF(Q電量，n電極上1摩爾物質電解時所需電子的摩爾數（當量數），F法拉第常數（96500庫侖）。法拉第定律有限制條件嗎？法拉第定律沒有限制條件，在任何壓力、溫度下都適用。電流效率?

要析出一定數量的某一物質時，實際上所消耗的電量與按照法拉第定律計算所需的理論電量之比，通常用百分數來表示。第二章電池

A

CuZn

稀H2SO4［問題］在日常生活和學習中，你用過哪些電池，你知道電池的其他應用嗎？

用於汽車的鉛蓄電池和燃料電池用於“神六”的太陽能電池筆記本電腦專用電池手機專用電池攝像機專用電池電池化學電池太陽能電池原子能電池將化學能轉換成電能的裝置將太陽能轉換成電能的裝置將放射性同位素自然衰變時產生的熱能通過熱能轉換器轉變為電能的裝置電池的種類化學電池一次電池二次電池燃料電池定義例子電池中的反應物質進行一次氧化還原反應並放電之後，就不能再次利用．又稱充電電池或蓄電池在放電後經充電可使電池中的活性物質獲得重生，恢復工作能力，可多次重複使用．是一種連續地將燃料和氧化劑的化學能直接轉化成電能的化學電源，又稱連續電池．乾電池：電池中的電解質溶液製成膠體，不流動，故稱乾電池．鉛蓄電池、鋅銀蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池氫氣、甲醇、天然氣、煤氣與氧氣組成燃料電池。普通鋅錳電池、鹼性鋅錳電池、鋅銀紐扣電池第一節化學電池1、化學電池的分類２、化學電池優點（１）能量轉換效率高，供能穩定可靠。（２）可以製成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池和電池組，使用方便。（３）易維護，可在各種環境下工作。３、判斷電池優劣的標準

除特殊情況外，品質輕、體積小而輸出電能多、功率大、儲存時間長的電池，其品質好。第二節一次電池鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅-錳乾電池的結構NH4Cl、ZnCl2

和

H2O等1、乾電池負極正極電池反應：氫氧化氧錳Zn–2e-=Zn2+（MnO2和C）：普通鋅錳電池（Zn）：2、鹼性鋅-錳乾電池負極：正極：電池反應：電解質：KOH—Zn—MnO2Zn+2OH--2e-

=Zn(OH)22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2［思考］該電池的正負極材料和電解質．鹼性電池

3、鋅銀紐扣電池Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-鋅-氧化銀紐扣電池，算是紐扣電池中的佼佼者。電壓1.55V，容量高於碳性，鹼性紐扣電池，高階放電曲線平穩，大約有90%的部分始終穩定在1.45V以上，放電曲線幾乎成一條直線，然後迅速掉電，電壓豎直掉下去。主要的用途是：計算器，助聽器，相機，手錶等。Zn＋2OH-

－2e-=ZnO

＋H2O負極：正極：第三節二次電池蓄電池1、鉛蓄電池由哪幾部分組成2、鉛蓄電池內部分為幾個單格？一格的靜止電動勢約為多少？3、正、負極板上的活性物質各是什麼？4、鉛蓄電池的每一個單格都有一個加液孔，孔蓋上通氣孔，其作用？5、蓄電池放電終了特徵？放電時兩極板上生成什麼物質，電解液有何變化？6、蓄電池充電終了特徵？充電時兩極板上各生成什麼物質？電解液有何變化？問題蓄電池的結構極板、隔板、電解液、外殼極板—由柵架和活性物質組成。正極板：二氧化鉛（PbO2),棕紅色負極板：海綿狀純鉛（Pb）,深灰色隔板：在正、負極板間起絕緣作用，可使電池結構緊湊。

A、隔板有許多微孔，讓電解液暢通無阻。

B、隔板一面平整，一面有溝槽。溝槽面對著正極板。使充放電時，電解液能通過溝槽及時供給正極板，當正極板上的活性物質PbO2脫落時能迅速通過溝槽沉入容器底部。

殼體：硬橡膠、塑膠兩種。外殼上有鏈條和加液孔聯條：串聯各單格電池，材料為鉛。加液孔蓋：蓄電池的每一個單格都有一個加液孔，為加注電解液和檢測電解液密度所用，孔蓋上有通氣孔，該小孔應經常保持暢通，一便隨時排除蓄電池化學反應放出的氫氣和氧氣，防止外殼漲列和發生事故。電解液：用純硫酸和蒸餾水按一定的比例配製成配製成的電解液比重一般在1.24～1.30g/cm3之間。1鉛蓄電池蓄電池的工作原理正極板：PbO2→Pb4+

＋2.0V負極板：Pb-2e→Pb2+-0.1V兩極板之間的電動勢為2.1V

串連6個放電時化學反應：負極板：Pb-2e→Pb2+Pb2++SO42-→PbSO4

附在負極板上正極板：Pb4++2e→Pb2+

Pb2++SO42-→PbSO4

附在正極板上

總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O充電時化學反應：正極板：PbSO4→Pb2++SO42-

Pb2+-2e→Pb4+

PbSO4+2H2O→PbO2+2H2SO4負極板：PbSO4→Pb2++SO42-Pb2++2e→Pb

總反應：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4蓄電池常見的故障故障特徵極板上生成一層白色粗晶粒的PbSO4，在正常充電時不能轉化為PbO2和Pb的現象。（1）硫化的電池放電時，電壓急劇降低，過早降至終止電壓，電池容量減小。（2）蓄電池充電時單格電壓上升過快，電解液溫度迅速升高，但密度增加緩慢，過早產生氣泡，甚至一充電就有氣泡。故障原因（1）蓄電池長期充電不足或放電後沒有及時充電，導致極板上的PbSO4有一部分溶解於電解液中，環境溫度越高，溶解度越大。當環境溫度降低時，溶解度減小，溶解的PbSO4就會重新析出，在極板上再次結晶，形成硫化。（2）電解液液面過低，使極板上部與空氣接觸而被氧化，在行車中，電解液上下波動與極板的氧化部分接觸，會生成大晶粒PbSO4硬化層，使極板上部硫化。（3）長期過量放電或小電流深度放電，使極板深處活性物質的孔隙內生成PbSO4。（4）新蓄電池初充電不徹底，活性物質未得到充分還原。（5）電解液密度過高、成分不純，外部氣溫變化劇烈。排除方法輕度硫化的蓄電池，可用小電流長時間充電的方法予以排除；硫化較嚴重者採用去硫化充電方法消除硫化；硫化特別嚴重的蓄電池應報廢。故障一：極板硫化故障特徵主要指正極板上的活性物質PbO2的脫落。蓄電池容量減小，充電時從加液孔中可看到有褐色物質，電解液渾濁。故障原因（1）蓄電池充電電流過大，電解液溫度過高，使活性物質膨脹、鬆軟而易於脫落。（2）蓄電池經常過充電，極板孔隙中逸出大量氣體，在極板孔隙中造成壓力，而使活性物質脫落。（3）經常低溫大電流放電使極板彎曲變形，導致活性物質脫落。（4）汽車行駛中的顛簸振動。排除方法對於活性物質脫落的鉛蓄電池，若沉積物較少時，可清除後繼續使用；若沉積物較多時，應更換新極板和電解液。故障二：活性物質脫落故障特徵主要是正極板柵架腐蝕，極板呈腐爛狀態，活性物質以塊狀堆積在隔板之間，蓄電池輸出容量降低。故障原因（1）蓄電池經常過充電，正極板處產生的O2使柵架氧化。（2）電解液密度、溫度過高、充電時間過長，會加速極板腐蝕。（3）電解液不純。排除方法腐蝕較輕的蓄電池，電解液中如果有雜質，應倒出電解液，並反復用蒸餾水清洗，然後加入新的電解液，充電後即可使用；腐蝕較嚴重的蓄電池，如果是電解液密度過高，可將其調整到規定值，在不充電的情況下繼續使用；腐蝕嚴重的蓄電池，如柵架斷裂、活性物質成塊脫落等，則需更換極板。故障三：極板柵架腐蝕故障特徵蓄電池正、負極板直接接觸或被其他導電物質搭接稱為極板短路。極板短路的蓄電池充電時充電電壓很低或為零，電解液溫度迅速升高，密度上升很慢，充電末期氣泡很少。

故障原因（1）隔板破損使正、負極板直接接觸。（2）活性物質大量脫落，沉積後將正、負極板連通。（3）極板組彎曲。（4）導電物體落入池內。

排除方法出現極板短路時，必須將蓄電池拆開檢查。更換破損的隔板，消除沉積的活性物質，校正或更換彎曲的極板組等。

故障特徵蓄電池在無負載的狀態下，電量自動消失的現象稱為自放電。如果充足電的蓄電池在30天之內每晝夜容量降低超過2%，稱為故障性自放電。故障原因（1）電解液不純，雜質與極板之間以及沉附於極板上的不同雜質之間形成電位差，通過電解液產生局部放電。（2）蓄電池長期存放，硫酸下沉，使極板上、下部產生電位差引起自放電。（3）蓄電池溢出的電解液堆積在電池蓋的表面，使正、負極柱形成通路。（4）極板活性物質脫落，下部沉積物過多使極板短路。排除方法自放電較輕的蓄電池，可將其正常放完電後，倒出電解液，用蒸餾水反復清洗乾淨，再加入新電解液，充足電後即可使用；自放電較為嚴重時，應將電池完全放電，倒出電解液，取出極板組，抽出隔板，用蒸餾水沖洗之後重新組裝，加入新的電解液重新充電後使用。故障五：自放電故障四：極板短路2鎳鎘（氫）蓄電池工作原理

1.放電過程中的電化學反應負極反應正極反應

總反應2.充電過程中的化學反應

充電時負極板上的氫氧化鎘，先電離成鎘離子和氫氧根離子，然後鎘離子從外電路獲得電子，生成鎘原子附著在極板上，而氫氧根離子進入溶液參與正極反應鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時，就不能放出全部電量。比如，鎳鎘電池只放出80%的電量後就開始充電，充足電後，該電池也只能放出80%的電量，這種現象稱為記憶效應。電池全部放完電後，極板上的結晶體很小。電池部分放電後，氫氧化亞鎳沒有完全變為氫氧化鎳，剩餘的氫氧化亞鎳將結合在一起，形成較大的結晶體。結晶體變大是鎳鎘電池產生記憶效應的主要原因。

貴！

鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電迴圈壽命也較長，並且無記憶效應。鎳氫電池正極的活性物質為NiOOH（放電時）和Ni(OH)2(充電時)，負極板的活性性物質為H2（放電時）和H2O（充電時），電解液採用30%的氫氧化鉀溶液，充放電時的電化學反應如下：過量充電時的電化學反應：

比較（鎳鎘）

由於有催化劑的氫電極面積大，而且氫氣能夠隨時擴散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易在蓄電池內部再化合生成水，使容器內的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快，可以使蓄電池內部氧氣的濃度，不超過千分之幾。

過充電時，電池內產生的大量氣體，如果不能很快複合，電池內部的壓力就會顯著增加，這樣將損傷電池。氣泡聚集在極板表面，將減小極板表面參與化學反應的面積並且增加電池的內阻。

放電終止電壓是指蓄電池放電時允許的最低電壓。如果電壓低於放電終止電壓後蓄電池繼續放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成深度放電，這樣，極板上形成的生成物在正常充電時就不易再恢復，從而影響電池的壽命。蓄電池參數

蓄電池的五個主要參數為：電池的容量、標稱電壓、內阻、放電終止電壓和充電終止電壓。

電池的容量通常用Ah(安時)表示，1Ah就是能在1A的電流下放電1小時。單元電池內活性物質的數量決定單元電池含有的電荷量，而活性物質的含量則由電池使用的材料和體積決定，因此，通常電池體積越大，容量越高。與電池容量相關的一個參數是蓄電池的充電電流。蓄電池的充電電流通常用充電速率C表示，C為蓄電池的額定容量。例如，用2A電流對1Ah電池充電，充電速率就是2C；同樣地，用2A電流對500mAh電池充電，充電速率就是4C。

標稱電壓：電池剛出廠時，正負極之間的電勢差。標稱電壓由極板材料的電極電位和內部電解液的濃度決定。當環境溫度、使用時間和工作狀態變化時，單元電池的輸出電壓略有變化，此外，電池的輸出電壓與電池的剩餘電量也有一定關係。單元鎳鎘電池的標稱電壓約為1.3V（但一般認為是1.25V），單元鎳氫電池的標稱電壓為1.25V。

電池的內阻決定於極板的電阻和離子流的阻抗。在充放電過程中，極板的電阻是不變的，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化。

充電終止電壓：蓄電池充足電時，極板上的活*物質已達到飽和狀態，再繼續充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。鎳鎘電池的充電終止電壓為1.75~1.8V，鎳氫電池的充電終止電壓為1.5V。

鋰離子電池的工作原理鋰離子電池正極材料：幾種材料的性能對比固體電解質層SEI：形成原因和作用電解液：有機溶劑的混合使用聚合物電解質：工作原理第四節鋰離子電池一、概述鋰離子電池的定義指以兩種不同的能夠可逆地插入及脫出鋰離子的嵌鋰化合物分別作為電池正極和負極的二次電池體系鋰離子電池的發展歷史1980年，M.Armand等人首先提出用嵌鋰化合物來代替二次鋰電池中的金屬鋰負極，並提出“搖椅式電池”（rockingchairbattery）的概念嵌鋰化合物代替二次鋰電池中的金屬鋰負極，電池的安全性大為改善，並且具有良好的迴圈壽命，同時電池的充放電效率也得到提高1990年日本Sony公司研製出以石油焦為負極、LiCoO2為正極的鋰離子二次電池鋰離子電池的工作原理正極負極電池具有高比能量、長迴圈壽命、較寬的工作溫度範圍、高可靠性等優點

鋰離子電池的優點二、正極材料對鋰離子正負極材料的要求：具有層狀或隧道的晶體結構，以利於鋰離子的嵌入和脫出，該晶體結構牢固，在充放電電壓範圍內的穩定性好，使電極具有良好的充放可逆性，以保證鋰離子電池的迴圈壽命;充放電過程中，應有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出，使電極具有較高的電化學容量;3.

在鋰離子進行嵌脫時，電極反應的自由能變化應較小，以使電池有較平穩的充放電電壓，以利於鋰離子電池的廣泛應用;鋰離子應有較大的擴散係數，以減少極化造成的能量損耗，保證電池有較好的快充放電性能;分子量小，提高重量能量密度；摩爾體積小，提高體積能量密度.LiCoO2正極材料鋰離子電導率高，擴散係數10-9～10-7cm/s充電上限電壓4.3V，高於此電壓基本結構會發生改變製備方法

固相合成法（0≤x≤0.5）

LiNiO2正極材料與LiCoO2相比，LiNiO2具有的優勢製備困難：製備電化學性能良好且具有化學計量結構的LiNiO2條件非常苛刻製備的LiNiO2一般表示為Li2xNi2-2xO2，x在0.3～0.5範圍內變化改性主要有摻雜和包覆處理,較為成功的是Co的摻雜鋰錳氧化物Mn資源非常豐富、無毒、價廉;鋰錳氧化物是最有希望取代鋰鈷氧化物的正極活性物質1.尖晶石型LixMn2O4立方結構當1<x≤2時，Mn離子主要以＋3價存在，將導致嚴重的Jahn-Teller效應(容量衰減)

在電解液中會逐漸溶解，發生Mn3+歧化反應；電解液在高壓充電時不穩定，即Mn4+具有高氧化性2.層狀LiMnO2扭曲的四方密堆結構在3.5~4.5V範圍內，LiMnO2脫鋰容量高，可達200mAh/g，但脫鋰後結構不穩定，慢慢向尖晶石型結構轉變。晶體結構的反復變化導致體積的反復膨脹和收縮，迴圈性能不好。較高溫度下也會發生Mn的溶解而導致電化學性能劣化三種正極活性材料性能比較材料名稱理論比容量(mAh/g)實際比容量(mAh/g)密度(g/cm3)價格比特點LiCoO2275130-1405.003性能穩定，體積比能量高，放電平臺平穩LiNiO2274170-1804.782高比容量，熱穩定性較差，價格較低LiMn2O4148100-1204.281低成本，比容量較低，高溫迴圈和存放性能較差，安全性好嵌鋰磷酸鹽正極材料LiMPO4（M=Mn、Fe、Co、Ni）正極材料中，以LiFePO4的研究最為突出

實際放電容量>160mAh/g,3C大電流下放電比容量>130mAh/g,其在原料來源、成本、環保和化學穩定性方面也都令人滿意。影響材料的最主要因素是LiFePO4室溫下的低電導率

三、負極材料碳負極材料：石墨典型的石墨化負極材料有石墨化中間相微珠、天然石墨和石墨化碳纖維理論容量372mAh/g，電位基本與金屬鋰接近.不可逆容量低，首次充電效率高，且價格低廉。固體電解質層(SEI)

對於所有的碳材料，在鋰嵌入石墨層間時，電解質溶液中的有機溶劑和鋰鹽均可能從電極得到電子，發生還原反應，在電極表面形成對電子絕緣而對離子導電的固體電解質層(SEI).

其主要組成為Li2CO3、ROCO2Li.當SEI層的厚度增加到能夠阻止溶劑從電極上得到電子時，還原反應自行終止，相當於在電極表面形成了一層鈍化膜

主要缺點是墨片面容易發生剝離，迴圈性能不是很理想，需要進行改性處理.氧化物負極材料無定形錫基複合氧化物：SnMxOy

SnSi0.4Al0.2P0.6O3.6零應變材料

LiTi5O12

相對於金屬鋰的電位為1.5V，因而與4V的正極材料配對形成2.5V的電池.

可逆容量一般為150mAh/g.鋰的嵌入和脫嵌不會產生應變，迴圈壽命很好四、電解液對鋰離子電池電解液的要求鋰離子電導率高。在一般穩定範圍內，電導率要達到3×10-3～2×10-2S/cm。電化學窗口大。即電化學性能在較寬的範圍內不發生分解反應。電解質的可用液態範圍寬，在－40～70℃範圍內均為液態。熱性能穩定，在較寬的範圍內不發生分解反應。化學穩定性高，即與電池體系的電極材料、集流體、隔膜、粘接劑等基本上不發生反應。最大可能促進電極可逆反應的進行；沒有毒性，使用安全；容易製備，成本低。有機溶劑有機溶劑應當在相當低的電位下穩定或不與金屬鋰發生反應，因此必須是非質子溶劑；極性高（也就是介電常數大），能溶解足夠的鋰鹽（鋰鹽容易解離）；同時黏度低（離子移動速度快），從而使電導率高；溶點低、沸點高，蒸汽壓低，工作溫度範圍寬

但是上述幾方面基本相互衝突,通常採用混合溶劑來彌補各組分的缺點一般採用直鏈酯和環酯(如EC+DMC，PC+DEC)混合溶劑電解質無機鋰鹽

LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6有機鋰鹽

三氟甲基磺酸鋰LiCF3SO3

二(三氟甲基磺醯)亞胺鋰LiN(CF3SO2)2

三(三氟甲基磺醯)甲基鋰LiC(SO2CF3)五、聚合物鋰離子電池聚合物電池的提出用液體電解質組裝的鋰離子電池在使用過程中逐漸暴露出易生長枝晶、漏液、安全性差等問題

聚合物鋰離子電池（PLIB，PolymerLithiumIonBattery）的主要優點是無漏液、電池尺寸形狀容易設計，電池安全性大為提高。現有三種聚合物鋰離子電池：（1）固體聚合物電解質電池（2）凝膠聚合物電解質電池（3）聚合物正極電池聚合物電解質的工作原理定義：含有聚合物材料且能像液體一樣導電的電解質導電機理：首先遷移離子如鋰離子等與聚合物鏈上的極性基團如氧、氮等原子配位；在電場作用下，隨著聚合物高彈區中分子鏈段的熱運動，遷移離子與極性基團不斷發生配位和解配位的過程，從而實現離子的遷移。

聚合物電解質的分類聚合物電解質可分為：固體聚合物電解質SPE(SolidPolymerElectrolyte)和凝膠聚合物電解質GPE目前已開發的聚合物電解質有：聚環氧乙烯(PEO)基、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基、聚偏氟乙烯(PVDF)基、聚丙烯腈(PAN)基和聚氯乙烯(PVC)基等，並在此基礎上形成各種共聚物電解質新型聚合物鋰離子電池TiS2為負極的聚合物鋰離子電池Dion電池電池的性能充放電（容量）測試、高低溫性能、迴圈性能安全性能專案試驗條件新電池迴圈後電池電特性短路外短路無異常無異常過充電1C,12V(max)無異常無異常異常電流充電6C,12V(max)無異常無異常力學性能針刺刺破短路無異常無異常擠壓壓至短路無異常無異常振動振幅0.88mm,10Hz-55Hz1Hz/min,90min無異常無異常落下1.9m,10次無異常無異常熱特性箱內加熱150℃,保持10min無異常無異常焚燒置於火焰上起火起火六、鋰離子電池的電性能

“是什麼東西使得我國無以數計的城鎮的春天之音沉寂下來了呢？”

－－摘自美國科學家卡遜的警世之作《寂靜的春天》草樹知春不久歸，百般紅紫鬥芳菲

被石油污染的企鵝

黑色天空

五顏六色的水

不堪重負的大地－山西某礦區

傳統能源對環境污染起了

推波助瀾的作用吞煙吐霧的火力發電站

招搖過市的冒煙車傳統能源發電方式的瓶頸一般我們熟知的發電方式就是利用燃料(石油、煤炭、汽油、核能等)通過化學變化產生熱能之後，間接利用水蒸汽推動發電機來產生電能。這樣的能量轉換過程需要經過許多程式，相對其轉換的過程程中也消耗了許多不必要的浪費，以至於最後變成電能的效率通常都只剩下_____左右。30%圖片取自「新核家園」網站若可以不要經過這些複雜且不必要的化學變化，而是直接將燃料轉換成電能，理論上就可以大幅提高能源轉換的效率！Whowillbe（無污染、效率高）

未來能源希望之星？！燃料電池《應用電化學》

第二章電池

第五節燃料電池一燃料電池的起源1839年，由英國法官威廉葛洛夫(WilliamGrove)在一次實驗中意外發現了燃料電池的發電原理；但當時因為電極材料問題，使這項發明未受重視。1959年，法蘭西斯培根(FrancisT.Bacon)製作出一個5kW的燃料電池組，能夠推動高耗能電器，使這項技術得以走出實驗室。其後使用氫氣為燃料的鹼性燃料電池(AFC)成功應用在太空梭的電力供應系統；其產物是純淨的水，成為太空人飲用水的來源之一。二燃料電池的定義燃料電池（Fuelcell），是一種使用燃料進行化學反應直接產生電力的裝置。由於它是把燃料通過化學反應釋出的能量變為電能輸出，所以被稱為燃料電池。燃料的選擇性非常高，包括氫氣、甲醇、乙醇、天然氣，甚至於現在運用最廣泛的汽油，都可以做為燃料電池的燃料。

以特殊催化劑使燃料與氧發生反應，因不需推動渦輪等發電器具，也不需將水加熱至水蒸汽再經散熱變回水，所以能量轉換效率高達70%~80%左右，足足比一般發電方法高出了40%以上。三燃料電池的種類依電解質的種類，一般可分為質子交換膜燃料電池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）堿性燃料電池（alkalinefuelcell,AFC）磷酸燃料電池（phosphoricacidfuelcell,PAFC）熔融碳酸鹽燃料電池（moltencarbonatefuelcell,MCFC）固態氧化物燃料電池（solidoxidefuelcell,SOFC）直接甲醇燃料電池（directmethanolfuelcell，DMFC,PEMFC的延續）生物燃料電池目前主要的方式四工作原理（重點掌握內容）

－質子交換膜燃料電池燃料電池是利用水的電解的逆反應的"發電機"。工作時向負極供給燃料（氫），向正極供給氧化劑（空氣）。氫在負極分解成正離子H+和電子e-。氫離子進入電解液中，而電子則沿外部電路移向正極。用電的負載就接在外部電路中。在正極上，空氣中的氧同電解液中的氫離子吸收抵達正極上的電子形成水。這正是水的電解反應的逆過程。按此看動畫電極反應及電池總反應式：陽極(電池負極)半反應

H2

－2e-

→2H+陰極(電池正極)半反應

2H++½O2+2e-→H2O總反應

H2+½O2→H2OΔE=1.229V(latm、25℃)

【水電解的逆反應】H2

→2

H+

+2H2H+e-H+22+2e-+12O2H2O電解質O2陽極陰極提問：比較燃料電池與一次電池（乾電池、鋅銀紐扣電池）、二次電池（鉛酸蓄電池、鎳鎘/氫電池、鋰離子電池）在工作原理上的差異及各電池的特徵？①燃料做負極，助燃劑氧氣為正極；②電極材料一般不參加化學反應，只起傳導電子的作用；⑤能量轉化率高(超過80%)，普通的只有30%，有利於節約能源；③氧化劑與還原劑在工作時不斷補充；④反應產物不斷排出；小結：⑥零污染。五燃料電池在應用上的優勢低污染高效率無噪音用途廣免充電燃料來源廣燃料電池比一般發電方式更為清潔，若用氫氣作為燃料，其排放物是可供飲用的水和可以利用的熱能。發電主體無噪音問題，若需散熱則有風扇的雜音。

燃料電池所能提供的電力範圍廣泛(1W~1000MW)，因此可應用的產品也多。

一般電池是將能源貯藏於電池本體中，待用完後即需捨棄或重新充電，以恢復電力。燃料電池的能源是由燃料中的化學能所提供，不含在電池本體結構中，因此只要燃料源源不斷的供應，燃料電池便可以不停的發電。

只要含有氫原子的化學能源如天然氣、石油、煤炭等氣化產物，或是沼氣、酒精、甲醇等，都可作為燃料電池的能源進料。

因為燃料電池直接將燃料中的化學能轉換成電能，故不受卡諾循環的限制。

IBM研製出採用燃料電池的ThinkPad原型機加拿大AngstromPower的公司生產出了全球第一款手機使用的燃料電池，並已經應用到了摩托羅拉L7手機中六最新科技－燃料電池商業化產品

在美國加利福尼亞舉辦的第三屆CaFCP公路拉力賽上，一款由面向未來、當前最暢銷的歐洲車格外引人注目，這就是全新的大眾汽車Touran

HyMotion。這輛多功能轎車使用一臺燃料電池為其高扭矩電動機提供能量。這是一款最新型的絕對零排放的多功能轎車。零排放燃料電池汽車--大眾途安

紅豆集團旗下的千里馬車業公司聯手上海攀業共同開發的全新一代燃料電池自行車為我們實現了這一夢想。全新“綠色天使”系列燃料電池自行車是第一款批量出口的燃料電池自行車。全新一代燃料電池自行車

中國完全自主知識產權、自主品牌的第四代燃料電池汽車近日亮相上海同濟大學校園。該車最高時速可達一百五十公里以上，百公里加速時間也從之前的十九秒縮至十五秒，加一次氫氣更是可以持續行駛超過三百公里，無論是在駕駛性能上還是在環保性能上都堪稱“未來汽車”的典範。同濟大學汽車學院研製的第四代燃料電池汽車------美國空軍學院研究的氫燃料電池無人機七課程實踐－實驗室自製簡易燃料電池所需器材透明塑膠罐、廢四號幹電池、計算器、LED燈利用廢電池的碳棒當作電極，因為碳棒(石墨)的表面有許多細小的毛孔，所以可以吸附部分的氣體，是製作簡易燃料電池很方便的材料，方便又環保！利用電源供應器電解一段時間後，使正極附著氧氣，負極附著氫氣，燃料電池所需的「燃料」便有了！接上LED燈可明顯看到燃料電池發電了接上計算器也可以使用希望大家都能有一個愉快的學習！創意來自想像與務實的結合H2e-H+H+e-O2H2e-e-H+H+H2OH2O圖片取自「科學人雜誌」回到課程太陽能電池的發展歷史太陽能電池市場狀況及趨勢太陽能電池定義和分類太陽能電池的結構及工作原理太陽能電池的生產工藝太陽能電池的應用第六節太陽能電池1.太陽能電池的發展歷史

1954年世界第一塊實用化太陽能電池在美國貝爾實驗室問世，幷首先應用於空間技術。當時太陽能電池的轉換效率為8％。1973年世界爆發石油危機，從此之後，人們普遍對於太陽能電池關注，近10幾年來，隨著世界能源短缺和環境污染等問題日趨嚴重，太陽能電池的清潔性、安全性、長壽命，免維護以及資源可再生性等優點更加顯現。一些發達國家制定了一系列鼓舞光伏發電的優惠政策，幷實施龐大的光伏工程計畫，為太陽能電池產業創造了良好的發展機遇和巨大的市場空間，太陽能電池產業進入了高速發展時期，幷帶動了上游多晶矽材料業和下游太陽能電池設備業的發展。在1997－2006年的10年中，世界光伏產業擴大了20倍，今後10年世界光伏產業仍以每年30％以上的增長速度發展。世界太陽能電池發展的主要節點1954美國貝爾實驗室發明單晶矽太陽能電池，效率為8％1955第一個光伏航標燈問世，美國RCA發明GaAs太陽能電池1958太陽能電池首次裝備於美國先鋒1號衛星，轉換效率為8％。1959第一個單晶矽太陽能電池問世。1960太陽能電池首次實現並網運行。1974突破反射絨面技術，矽太陽能電池效率達到18％。1975非晶矽及帶矽太陽能電池問世1978美國建成100KW光伏電站1980單晶矽太陽能電池效率達到20％多晶矽為14.5％，GaAs為22.5％1986美國建成6.5KW光伏電站1990德國提出“2000光伏屋頂計畫”1995高效聚光GaAs太陽能電池問世，效率達32％。1997美國提出“克林頓總統百萬太陽能屋頂計畫，日本提出“新陽光計畫”1998單晶矽太陽能電池效率達到24.7％，荷蘭提出“百萬光伏屋頂計畫”2000世界太陽能電池總產量達287MW，2010年歐洲生產60億瓦光伏電池據統計，從2002年至今，中國太陽能電池產量猛增了77倍。2009年，我國太陽能電池產量約占世界總產量的三分之一，連續三年成為世界第一大太陽能電池生產國。儘管我國太陽能電池從2007年開始成為世界生產最多的國家，但是，我們現在對太陽能普遍的轉化效率是16%，17%，國外最高的已經超過了20%。我國太陽能電池的發展1958年我國開始研製太陽能電池1959年中國科學院半導體研究所研製成功第一片具有實用價值的太陽能電池

1971

年在我國發射的第二顆人造衛星——科學實驗衛星實踐一號上首次應用太陽能電池1973年在天津港的海面航標燈上首次應用14.7W太陽能電池1979年我國開始利用半導體工業廢次矽材料生產單晶矽太陽能電池1980年~1990年期間我國引進國外太陽能電池關鍵設備、成套生產線和技術2004年我國太陽能電池產量超過印度，年產量達到50MW以上

20世紀80年代後期，我國太陽能電池生產能力達到4.5MW/年，初步形成了我國太陽能電池產業

2005~2006年，我國的太陽能電池組件產量100MW/年以上，我國成為世界重要的光伏工業基地之一，初步形成一個以光伏工業為源頭的高科技光伏產業鏈並網發電系統及工作原理太陽能並網發電系統主要由太陽電池陣和並網逆變器兩部分組成。

1.太陽電池陣：將太陽光能轉換成電能，在陽光充足時通過並網逆變器將直流電轉換為交流電輸入電網。2.並網逆變器：並網逆變器是將直流電轉換為交流電的設備，輸入端接太陽電池陣，輸出端接交流電網。並網逆變器除具有普通逆變器的功能外，還應具有以下功能：

1)純正弦波同步並網送電：通過DC/AC電壓型逆變器實現電流暫態控制，將電流控制成50Hz正弦波，自動與電網同步後送入電網。以正弦波電流的方式並網送電不會對電網產生諧波干擾和過多的無功分量。

2)太陽能電池最大功率追蹤技術：以晶體矽為基本材料的太陽能電池在不同的照射強度和溫度下其I-V特性曲線各不相同，而輸出與I-V特性相應存在一個最大功率輸出點，因此，對太陽電池最大輸出功率點的追蹤MPPT(MaximumPowerPointTrace)成為提高整個系統效率的關鍵點之一。

3)反孤島運行技術：並網發電運行時，電網因意外情況出現停電時，並網運行設備應該能夠及時檢測出電網停電情況，並與電網解列，停止向電網送電，以保護人身和設備安全。

4)獨立供電及自動同步並網運行技術：系統在電網停電時，可實現自動與電網解列，獨立向重要負載提供優質交流電能。在配備蓄電池後，本系統還可在夜間不間斷地提供電能。在電網恢復供電時，通過與電網電壓同步，可在不影響給負載供電的情況下切換至並網發電運行方式。2.太陽能電池市場狀況及趨勢2.1太陽能電池的市場狀況

1998年以前，單晶矽電池占世界光伏生產的主導地位，其次是多晶矽電池。從1998年開始，多晶矽電池開始超過單晶矽躍居第一。非晶矽從20世紀80年代初開始商業化生產，但由於效率低和光衰減問題，市場份額增加不快。CdTe電池從20世紀80年代中期開始商業化生產，市場份額增加緩慢，除技術因素外，人們對Cd的毒性的疑慮也是原因之一。CIS電池的產業化進程比較緩慢，原因是生產過程中化學劑量比難以控制，大面積均勻性和重複性較差。2.2太陽能電池的未來發展趨勢

2.2.1商業化趨勢

1998年以前，單晶矽電池占市場主導地位，其次是多晶矽電池。

從1998年起，多晶矽電池開始超過單晶矽躍居第一。非晶矽從80年代初開始商業化，由於效率低和光衰減問題，市場份額先高後低。

CdTe電池從80年代中期開始商業化生產，市場份額增加緩慢，Cd的毒性是原因之一；銅銦硒薄膜太陽電池（CIS電池）的產業化進程比較緩慢，生產工藝難於控制，In是稀有元素；

Sanyo公司a-Si/c-Si電池商業化僅兩三年，發展迅速2.2.2技術發展趨勢2.2.2.1矽基電池:

矽是地球上豐度第二大元素，資源豐富(以石英砂形式存在)；

環境友好；

電池效率高，性能穩定；

工藝基礎成熟。

矽基電池是目前光伏界研究開發的重點、熱點晶矽電池的產業化技術矽基薄膜電池研究開發方向：晶矽電池:①提高電池/組件效率高效鈍化技術：TiO2，SiNx,H、SiO2,a-Si。。高效陷光技術：減反射，表面織構化，背反射等，選擇性發射區(前)，背表面場(BSF)，細柵或者單面技術，

高效封裝技術－最佳封裝材料的折射率等。②簡化、改進工藝－自動化、環保、低成本；如矽片薄化及其工藝，③材料的國產化和提高性能；矽基薄膜電池

①低溫過程(PECVD)<300℃，非晶、微晶、微非迭層－效率、穩定性，柔性襯底②低溫過程>900℃,多晶矽基薄膜電池，廉價襯底；2.2.2.2化合物電池

CIGS電池：提高效率，大面積重複性，S代Se

CdTe電池：提高效率，大面積重複性

Gratzel電池－高效染料，固體或准固態電解質，提高效率，大面積重複性有機電池－高效電子受體和給體以及材料，提高效率

3.新型概念電池：量子點、量子阱電池，中間帶光伏電池，帶隙遞變迭層電池等，尚處在理論探索、概念研究和驗證階段。3.太陽能電池定義和分類太陽能電池，又稱光伏器件，是一種利用光生伏特效應把光能轉變為電能的器件。它是太陽能光伏發電的基礎和核心。太陽能電池分類按結構分類同質結太陽電池異質結太陽電池肖特基太陽電池採用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體製作在同一塊半導體（通常是矽或鍺）基片上,在它們的交界面就形成空間電荷區稱PN結。PN結具有單向導電性。

P型半導體（P指positive，帶正電的）：由單晶矽通過特殊工藝摻入少量的三價元素組成，會在半導體內部形成帶正電的空穴；

N型半導體（N指negative，帶負電的）：由單晶矽通過特殊工藝摻入少量的五價元素組成，會在半導體內部形成帶負電的自由電子。

在P型半導體中有許多帶正電荷的空穴和帶負電荷的電離雜質。在電場的作用下，空穴是可以移動的，而電離雜質（離子）是固定不動的。N型半導體中有許多可動的負電子和固定的正離子。當P型和N型半導體接觸時，在介面附近空穴從P型半導體向N型半導體擴散，電子從N型半導體向P型半導體擴散。在PN結上外加一電壓，如果P型一邊接正極，N型一邊接負極，電流便從P型一邊流向N型一邊，空穴和電子都向介面運動，使空間電荷區變窄，電流可以順利通過。如果N型一邊接外加電壓的正極，P型一邊接負極，則空穴和電子都向遠離介面的方向運動，使空間電荷區變寬，電流不能流過。這就是PN結的單向導電性。

PN結

（1）同質結太陽能電池：由同一種半導體材料一個或多個pn結的太陽電池，如p-n結太陽電池，p-n結砷化鎵太陽電池等。

（2）異質結太陽能電池：由兩種不同半導體材料在相接介面上構成劃質結太陽電池，如氧化錫一矽、硫化鎘一硫化亞銅、砷化鎵一矽異質結太陽電池等。若構成異質結的兩種材料的晶格匹配比較好，則稱為異質面太陽電池，如砷化鎵一砷化鋁鎵異質面太陽電池等。

（3）肖特基結太陽能電池：由金屬和半導體接觸形成肖特基勢壘的電池，簡稱MS電池。已發展成金屬－氧化物－半導體（MOS）、金屬一絕緣體一半導體（MIS）太陽電池等。

（4）複合結太陽能電池：由兩個或多個結形成的太陽電池。如由一個（MIS）太陽電池和一個p-n結矽電池疊合而形成高效MISNP複合結矽太陽電池，其效率已達22%。複合結太陽電池往往做成級聯型，把寬禁帶材料放在頂區，吸收陽光中的高能光子，用窄禁帶材料吸收低能光子，使整個電池的光譜回應拓寬。砷化鋁鎵—砷化鎵—矽太陽電池的效率高達31%。

按材料分類矽太陽電池敏化納米晶太陽電池有機化合物太陽電池塑膠太陽電池無機化合物半導體太陽電池無機化合物半導體電池

系指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導體特性的化合物半導體材料製成的電池，如硫化鎘太陽能電池、砷化鎵太陽能電池、碲化鎘太陽能電池、硒銦銅太陽能電池、磷化銦太陽能電池等。化合物半導體主要包括：①晶態無機化合物(如Ⅲ—V族化合物半導體砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、銻化銦等，Ⅱ—Ⅵ族化合物半導體硫化鎘、硫化鋅等)及其固溶體(如鎵鋁砷、鎵砷磷等)；②非晶態無機化合物，如玻璃半導體；③有機化合物，如有機半導體；④氧化物半導體，如MnO、Cr2O3、FeO、Fe2O3、Cu2O等。矽太陽能電池

系指以矽為基體材料的太陽能