电化学全套课件

应用电化学

绪论§1.1前言§1.2电化学科学的发展简史§1.3电化学科学涉及的领域§1.4我国著名电化学家简介§1.1前言1.什么是应用电化学----从氯碱工业说起现已形成三大电化学工业体系：电解、电池、电分析。电化学应用范围很广，在国民经济很多部门发挥巨大作用。电化学的实际应用大致分为：（1）电化学合成：如氯碱工业、合成己二腈。（2）金属的提取与精炼：熔盐电解制铝、精炼铜。（3）化学电源：1859年普兰特（Planet）发明了铅酸电池。锌锰电池；太阳能电池、燃料电池、手机中的锂电池等。（4）金属腐蚀与防护：电化学腐蚀与防护、缓蚀剂。（5）物体表面修饰：电镀、电泳涂漆。（6）电化学分离技术：电渗析、电浮离等。（7）电化学分析技术：应用于工农业、环保及医药卫生等。2.电化学应用领域§1.2电化学科学的发展简史1.电化学热力学发展（1799~1905）

1799意大利物理学家伏打发明第一个化学电源1833法拉第定律1870亥姆霍茨提出双电层概念

1889能斯特提出电极电位公式

1905塔菲尔提出塔菲尔公式2.电化学动力学发展（20世纪40年代）电化学动力学：研究电极反应速度及其影响因素弗鲁姆金等析氢过程动力学双电层结构研究取得进展格来亨用滴汞电极研究两类导体界面3.理论和实验技术突破性进展（20世纪60年代）

理论方面：非稳态传质过程动力学表面转化步骤复杂电极过程电子传递理论R.A.Marcus1992诺贝尔化学奖

实验技术方面：界面交流阻抗法暂态测试方法线性电位扫描法旋转圆盘电极系统电化学in-situ测试技术4.电化学理论新发展（20世纪80年代以后）

将量子力学引进电化学领域形成量子电化学。与环境科学结合形成环境电化学。与材料结合形成材料电化学。与光结合形成光电化学。

与半导体结合形成半导体电化学。与生物化学结合形成生物电化学等等。

德国科学家（GerhardErtl）因对固体表面化学研究取得的杰出成就荣获2007年度诺贝尔化学奖。

10月10日，瑞典皇家科学院发布的颁奖声明称，埃特尔在表面化学方面进行了开创性的研究，这些研究对化学工业非常重要，同时也帮助人们理解各种不同的化学过程，比如铁是如何生锈的、燃料电池如何工作以及汽车催化剂如何发挥作用，甚至可以解释臭氧层为何遭受破坏等等。（1）电化学概念内涵的改变电化学（近代约1800-1940年）电化学是研究电能和化学能之间的相互转化及转化过程中有关现象的科学。电化学（现代约1940-1980年）是研究带电界面上所发生现象的科学。电化学（1980年以后）是控制离子、电子、量子、导体、半导体、介电体间的界面及本体溶液中荷电粒子的存在和移动的科学技术。电化学是边缘学科interdisciplinary/多领域跨学科multidisciplinar/超领域transdisciplinary

量子电化学quantumelectrochemistry1999年提出了“电化学材料科学（ElectrochemicalMaterialsScience，EMS）”的概念。§1.3电化学科学涉及的领域目前国际上认为，电化学材料科学可划分为材料的电化学制备学、材料的电化学、电化学的材料学三个大的方面.具体研究内容包括能源材料、材料电化学制备、电极材料、电解材料、电池材料、表面工程、电化学加工、电化学传感信息材料、材料腐蚀与防护技术、材料的电化学表征等。特征：电化学领域横跨纯自然科学（理学）和应用自然科学（工程、技术）两大方面，而且各个领域都建立在共同的基础（电化学）之上。1980年以后在跨学科和边缘领域取得了极大的进展。应用领域非常广，这也表现在学术组织上，目前国际电化学学会（internationalsocietyofelectrochemistry,缩写ISE）将其会员的活动分为8个大组进行，各自涵盖的学术领域如下:

一、界面电化学固/液导电表面和界面的结构状况双电层结构电子和离子转移过程的理论电催化理论光电化学电化学体系的统计力学和量子力学方法二、电子导电相和离子导电相金属、半导体、固态离子导体、熔盐、电解质溶液、离子/电子导电聚合物，以及嵌入化合物等的热力学和传输性质。三、分析电化学用于化学分析、检测和过程控制的电化学方法与装置（如直流电法、交流电法和电位法等技术）电化学传感器（包括离子选择性电极和固态器件）。四、分子电化学无机物、有机物和金属有机化合物电极过程的机理和结构状况，以及在合成中的应用。五、电化学能量转换能量的电化学产生、传输和储存蓄电池燃料电池光电化学过程与装置六、腐蚀、电沉积和表面处理材料腐蚀与保护的电化学钝化电化学固相沉积与溶解过程的理论应用（包括电镀、电抛光、微建造和电化学成型）七、工业电化学和电化学工程工业电化学过程的基本概念及工艺学环境及能量状况电解槽设计、放大与优化电化学反应器理论质量、动量和电量传递的基本问题工程应用的电化学装置八、生物电化学生物体系组分的氧化还原过程生物膜及其模型物的电化学电化学生物传感器电化学技术在生物医学中的应用由此可见，现代电化学是一门交叉学科，也是应用前景非常明显的学科。在过去的半个世纪中，电化学已为解决能源、材料、环境等的相关问题发挥了不可低估的作用，毫无疑问，在21世纪中该学科必将继续为解决人类面临的这些重大问题发挥更加显著的作用。1．高性能储氢/制氢和储锂新体系及聚合物电解质中氢离子和锂离子的传输机理

2．直接型燃料电池新体系和生物燃料电池；

3．用轻元素及其化合物组成储/制氢材料及可充电多电子过渡金属化合物电极；

4．超级电容器和氧化还原液流电池等特殊电化学储电装置；

5．质子膜燃料电池的成流机理和衰退机理和新型质子膜材料；

6．（公交）车用动力电池的衰退机理和循环及再生回收；

7．基于光电化学原理的新光伏电池体系和电池运行新型机制。

我国电化学“十一五”学科发展规划一移动式电源和再生式能源是当今能源发展中的重要方面发展各类材料的电化学制备新方法

1．电化学方法制备新型环境友好和生物医用材料；

2．新型低能耗的电化学制备材料方法；3．基于电化学原理的新型微米/纳米加工方法；

4．基于离子液体体系的电化学新方法等；

5．材料保护、防腐、循环使用(包括材料表面处理)的电化学新方法。1．生物膜与仿生界面的电荷传输、物质传输与能量转换以及生物膜内源性电场的实验和理论；

2．生命活动过程中的电生理现象（肌肉、神经、脑等等）的电化学机制探索；

3．研究生物大分子的电子传递机制及分子间弱相互作用的（谱学）电化学方法；

4．对细胞各种行为的影响和控制的电化学方法；

5．生命活动过程电活性粒子（物质）的定向有序专一的传递、传导或转移。

基于生命体系中广泛存在（电解质）水和各类电荷传输的特点，电化学在生命领域所扮演的重要角色将日益凸现1．芯片、微传感器和微系统制造过程中的电化学技术和理论;

2．结合微系统技术制备微电解池和微电池体系以及组合电化学体系；

3．基于微系统技术的电化学传感器微型化和集成化；

4．超分子化学、自组装、分子印迹和分子遗传学等在电化学传感器的应用；5．电化学法制备纳米器件或分子器件的探索。四电化学在信息和环境领域中的最大挑战是在微芯片、微传感器和微系统制造方面的研究工作1．复杂电化学相界（如三相界、固－固、膜－液、液－液等）的结构、性质与过程；

2．微米/纳米尺度上的复杂（限域）电化学体系和相关过程的实验和理论方法；

3．复杂体系（凝聚相、膜、超微孔、凝胶）中的离子/电子输运过程的理论与实验；

4．电化学方法与现代物理表征技术和生物技术相结合的实验与理论等。五电化学在以上学科交叉领域中所面临的挑战也对于电化学自身发展和解决本学科重大问题带来难得机遇查全性，江苏南京人，中国科学院院士1925生，1950年毕业于武汉大学化学系。1957年赴苏联莫斯科大学进修。历任武汉大学副教授、教授、化学系主任，中国科学院化学部委员，国务院学位委员会第二届学科评议组成员，中国化学会第二十二届常务理事。专于电化学。1979-1984年期间担任武汉大学化学系主任。先后担任《化学学报》、《高等化学学报》和《物理化学学报》等学术期刊编委。

1.4我国著名电化学家简介近五十年来一直从事有关电化学的教学和研究工作，研究领域涉及电极/溶液界面的吸附、电化学催化、半导体电化学、高比能化学电源、燃料电池、生物电化学等，迄今已在国内外学术期刊上发表200余篇科学论文。80年代以来主要从事光电化学催化、高比能锂电池及生物酶电极研究，并创建了适用于研究粉末材料电化学性质的粉末微电极方法。其研究成果表面活性剂吸附规律、电化学催化等工作于1987年获得国家自然科学三等奖。所著“电极过程动力学导论”是我国电化学界普遍使用的教材和参考书。

田昭武，福建福州市人，男，厦门大学教授，中国科学院院士，英国威尔士大学名誉理学博士，固体表面物理化学国家重点实验室主任，中国科协全国委员，国际电化学学会会刊副主编，《电化学》主编，中国人民政治协商会议全国常务委员。

1949年厦门大学化学系毕业,历任厦门大学校长,中国化学会理事长,福建省科协主席,国家教委化学教学指导委员会主任委员,国际电化学学会理事及第46届年会主席，国际太阳能光化学转化与储存会议组织委员及第九届会议主席。曾获:1986年国家教委科技进步一等奖,1987年国家教委科技进步二等奖,1987年国家自然科学三等奖,1990年国家发明三等奖等。田中群，物理化学家。厦门大学教授。1955年生于福建厦门。1982年毕业于厦门大学化学系，1987年获英国南安普敦大学化学系博士学位。现任固体表面物理化学国家重点实验室主任，英国皇家化学会高级会员。2005年当选为中国科学院院士。2008年3月当选为第十一届全国政协常委。

1999获香港求是基金会“杰出青年学者奖”，2001年被聘为长江学者计划特聘教授，2001年获中国高校科学技术进步一等奖。现为国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)物理化学和生物物理化学委员会衔称委员，英国皇家化学会资深会员，国际拉曼光谱大会执行委员会委员，中国化学会电化学委员会主任。担任ChemComm.,J.RamanSpectroscopy，Phys.Chem.Chem.Phys.，《中国科学》等杂志的顾问编委或编委。汪尔康，1933年5月生于镇江电分析化学的领军人物，中科院院士1952年毕业于上海市沪江大学化学系。毕业后分配到长春应用化学研究所工作。1955年选派捷克斯洛伐克科学院学习，1959年获副博士学位。回国后仍在长春应化所供职，1982年为研究员、博士生导师，1992-1996年任所长，并曾兼任国家电化学和光谱分析研究中心主任等职务。1991年当选中科院院士。中国分析测试协会副理事长，国家自然科学基金委(环境)分析化学学科基金评审组组长，化学科学部专家咨询委员会委员，中国化学会常务理事，分析化学委员会主任等。他在我国率先从事液/液界面电化学研究，提出并建立线性电流扫描法等多种电化学研究方法。他较早开展液相色谱/电化学的研究，提出并设计了各类微电极、阵列微电极、多指示电极及各类化学修饰电极和水/固化硝基苯薄层池电化学检测器与液相色谱联用，发展了一系列灵敏选择分析各类通常较难测定的检测物的液相色谱/电化学测定方法。董绍俊中科院院士

吴浩青

复旦大学教授中科院院士（1914-2010）江苏宜兴人。1935年毕业于浙江大学化学系，曾在浙江大学、湖南兰田师范学院、上海沪江大学等校任教，1952年全国院系调整来复旦大学化学系执教，历任化学系副主任、主任。1980年当选为中国科学院化学部委员，是我国电化学的开拓者之一，致力于锑元素电化学性质的系统研究，确定了锂的零电荷电势，得到国际公认，并提出了锂电池嵌入反应机理，撰有《物理化学》、《化学热电力》、《电化学动力学》等专著。

1940年生于四川南充,1964年毕业于中国科学技术大学物理系，同年到中国科学院物理研究所工作至今。其间1976～1978年赴西德马普协会固体所进修；1985年、1990年和1992年曾分别在法国科研中心波尔多固体化学研究所、荷兰代尔夫特理工大学和日本东京工业大学任客座教授。2001年11月当选为中国工程院院士。

1、他是物理所高温超导材料研究负责人并参加研制出一系列世界领先水平的高温超导材料。

2、在国内首先研制成功锂离子电池。建成我国第一条锂离子电池中试生产线，产品性能和成品率都处于国际先进水平,解决了锂离子电池规模化生产的科学技术与工程问题。参予组建了北京星恒电源公司,依靠自己的技术，以国内设备和原材料为主，实现了锂离子电池的产业化。

中国工程院院士陈立泉

孙世刚，教授，博士生导师，长江学者厦门大学教授

加拿大奎尔夫大学访问科学家(1988-1989)

法国科学院界面电化学研究所博士后（1986-1987）

法国国家博士

(巴黎居里大学,1986)

表面电化学,

电化学催化,

谱学电化学,

有机电化学，纳米材料和能源电化学

杨勇，教授，“闽江学者”特聘教授，博士生导师。固体表面物理化学国家重点实验室研究员，“新世纪百千万人才工程”国家级人选（2004），国务院政府特殊津贴（2006）获得者，国家杰出青年科学基金获得者（1999），教育部跨世纪优秀人才（1998）。主要的研究方向为能源电化学与材料物理化学。主要学术成绩包括运用多种（谱学）电化学方法对多种具有重要应用价值的电极材料的电化学反应过程进行创新型研究，特别对几种锂离子电池电极材料的合成、结构、表面修饰及其电化学性能进行深入的研究。

陈军，南开大学教授，教育部长江学者特聘教授、国家自然科学基金杰出青年基金获得者、国家科技部863计划领域专家，他在新能源材料的研究方面取得了显著的成就。

吴宇平，复旦大学教授（博导）

1987-1991年在湘潭大学化学系。1994年毕业于中国原子能科学研究院，获工学硕士学位。1997年毕业于中国科学院化学研究所，获理学博士学位。1997-1999年在清华大学从事博士后研究工作。1999-2001在日本科学技术振兴事业团(JST)的资助下到日本早稻田大学应用化学系工作，并担任客员研究员。2001-2003年在德国洪堡基金委的资助下到开姆尼兹工业大学(原卡尔×马克思大学)作访问学者。2003年8月作为优秀人才引进到复旦大学化学系，聘为教授。

目前的主要研究领域：嵌入电极反应动力学；固体电解质；固态锂离子电池；纳米材料在储能材料中的应用；微型电池及其材料制备。夏永姚江志裕

任斌厦门大学教授博导主要研究方向

：

表面增强拉曼光谱、针尖增强拉曼光谱、光谱电化学、纳米电化学以及表面等离子体光学等。现任中国物理学会光散射专业委员会副主任，《光散射学报》编委。

曾获中国化学会青年化学奖（2004），首届中国电化学青年奖（2007），教育部新世纪优秀人才（2005），霍英东青年教师基金（2006），和国家杰出青年科学基金（2008）。获教育部2001年“中国高校自然科学奖”一等奖（第二完成人）。

第一章电化学基础知识1电解质活度与正、负离子活度的关系式2正、负离子的活度因子

3离子的平均活度和平均活度因子ØØØ

4电解质溶液的离子强度5电导、电导率和摩尔电导率单位是西门子;符号为S，1S=1Ω-1

电导率，单位为S·m-1

=KcellGAl=Kcellκ

电导率，Λm的单位为S·m2·mol-1。7离子独立运动定律6离子迁移数8原电池中的电极反应与电池反应及电池图式Zn(s)｜ZnSO4(1mol·kg-1)CuSO4(1mol·kg-1)｜Cu(s)9能斯特方程式

10标准电极电势标准氢电极：H+［a(H+)=1］｜H2（p

＝100kPa)｜Pt的标准电极电势E

=0。11电池电动势E＝E(右极，还原)－E(左极，还原)

12原电池反应的热化学测定电池反应的ΔrGm、ΔrSm、ΔrHmΔrGm=-zFE可逆电池的电动势ΔG

=-zEF

联系热力学与电化学的桥梁。意味着伴随电池反应发生的自由能变化作为电能被外部取走。电极界面双电层模型与发展Gooy-Chapman扩散层模型电动势产生原因：电极界面的双电层、表面电场13界面双电层结构双电层电位金属内部电位øM

、Helmholtz内层电位ψ2

、外层电位（扩散层电位）ψ1

、溶液电位øS

、ξ电位的关系图

ξ电位：在扩散层中存在的一个开始发生流动的界面的电位。（电泳、电渗现象使用的电位）。øSψ2ψ1界面电动现象与ξ

电位界面电动现象：介电常数不同的固相-液相界面和带电的高分子-溶液界面等，可以诱发双电层。如将这种界面放入电场中，界面两侧异相间会发生相对移动，称为界面电动现象。电泳：外加电场下，胶体溶液中固相胶体粒子的移动现象。此时，ξ（Zeta）电位也称为电动电势。电泳速度v为：v=ξε

E/Kπ

η

ε：介电常数，E：电场强度，K：与粒子有关的常数，η：粘度。电渗：外加电场下，多孔质体中液相的移动现象。中如多孔膜毛细管中溶剂化离子的移动，多孔电极中电解液离子的移动等。

v=2ξεE/3Kπ

η电化学体系必须有阳极、阴极和电解质。按反应类型来说，电极反应属于氧化还原反应，但与一般的有许多不同。电极的作用表现在两个方面:

一是电子通路，可以使氧化反应和还原反应分别在不同地点进行；

二是电极表面是反应地点，起着相当于异相催化反应中催化剂的作用。所以，可以将电极反应看作是特殊的异相氧化还原反应。14电化学体系三要素电极反应定律法拉第定律通电于电解质溶液中，（1）在电极上起作用物质的数量与通入的电量成正比；（2）将几个电解池串联，通入电流后在各个溶液的两极上起作用物质的当量数相同。法拉第定律可描述为：Q=nF(Q电量，n电极上1摩尔物质电解时所需电子的摩尔数（当量数），F法拉第常数（96500库仑）。法拉第定律有限制条件吗？法拉第定律没有限制条件，在任何压力、温度下都适用。电流效率?

要析出一定数量的某一物质时，实际上所消耗的电量与按照法拉第定律计算所需的理论电量之比，通常用百分数来表示。第二章电池

A

CuZn

稀H2SO4［问题］在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知道电池的其它应用吗？

用于汽车的铅蓄电池和燃料电池用于“神六”的太阳能电池笔记本电脑专用电池手机专用电池摄像机专用电池电池化学电池太阳能电池原子能电池将化学能转换成电能的装置将太阳能转换成电能的装置将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转变为电能的装置电池的种类化学电池一次电池二次电池燃料电池定义例子电池中的反应物质进行一次氧化还原反应并放电之后，就不能再次利用．又称充电电池或蓄电池在放电后经充电可使电池中的活性物质获得重生，恢复工作能力，可多次重复使用．是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电源，又称连续电池．干电池：电池中的电解质溶液制成胶体，不流动，故称干电池．铅蓄电池、锌银蓄电池、镍镉电池、锂离子电池氢气、甲醇、天然气、煤气与氧气组成燃料电池。普通锌锰电池、碱性锌锰电池、锌银纽扣电池第一节化学电池1、化学电池的分类２、化学电池优点（１）能量转换效率高，供能稳定可靠。（２）可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便。（３）易维护，可在各种环境下工作。３、判断电池优劣的标准

除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，其质量好。第二节一次电池锌筒石墨棒MnO2和C普通锌-锰干电池的结构NH4Cl、ZnCl2

和

H2O等1、干电池负极正极电池反应：氢氧化氧锰Zn–2e-=Zn2+（MnO2和C）：普通锌锰电池（Zn）：2、碱性锌-锰干电池负极：正极：电池反应：电解质：KOH—Zn—MnO2Zn+2OH--2e-

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

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2［思考］该电池的正负极材料和电解质．碱性电池

3、锌银纽扣电池Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-锌-氧化银纽扣电池，算是纽扣电池中的佼佼者。电压1.55V，容量高于碳性，碱性纽扣电池，高阶放电曲线平稳，大约有90%的部分始终稳定在1.45V以上，放电曲线几乎成一条直线，然后迅速掉电，电压竖直掉下去。主要的用途是：计算器，助听器，相机，手表等。Zn＋2OH-

－2e-=ZnO

＋H2O负极：正极：第三节二次电池蓄电池1、铅蓄电池由哪几部分组成2、铅蓄电池内部分为几个单格？一格的静止电动势约为多少？3、正、负极板上的活性物质各是什么？4、铅蓄电池的每一个单格都有一个加液孔，孔盖上通气孔，其作用？5、蓄电池放电终了特征？放电时两极板上生成什么物质，电解液有何变化？6、蓄电池充电终了特征？充电时两极板上各生成什么物质？电解液有何变化？问题蓄电池的结构极板、隔板、电解液、外壳极板—由栅架和活性物质组成。正极板：二氧化铅（PbO2),棕红色负极板：海绵状纯铅（Pb）,深灰色隔板：在正、负极板间起绝缘作用，可使电池结构紧凑。

A、隔板有许多微孔，让电解液畅通无阻。

B、隔板一面平整，一面有沟槽。沟槽面对着正极板。使充放电时，电解液能通过沟槽及时供给正极板，当正极板上的活性物质PbO2脱落时能迅速通过沟槽沉入容器底部。

壳体：硬橡胶、塑料两种。外壳上有链条和加液孔联条：串联各单格电池，材料为铅。加液孔盖：蓄电池的每一个单格都有一个加液孔，为加注电解液和检测电解液密度所用，孔盖上有通气孔，该小孔应经常保持畅通，一便随时排除蓄电池化学反应放出的氢气和氧气，防止外壳涨列和发生事故。电解液：用纯硫酸和蒸馏水按一定的比例配制成配制成的电解液比重一般在1.24～1.30g/cm3之间。1铅蓄电池蓄电池的工作原理正极板：PbO2→Pb4+

＋2.0V负极板：Pb-2e→Pb2+-0.1V两极板之间的电动势为2.1V

串连6个放电时化学反应：负极板：Pb-2e→Pb2+Pb2++SO42-→PbSO4

附在负极板上正极板：Pb4++2e→Pb2+

Pb2++SO42-→PbSO4

附在正极板上

总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O充电时化学反应：正极板：PbSO4→Pb2++SO42-

Pb2+-2e→Pb4+

PbSO4+2H2O→PbO2+2H2SO4负极板：PbSO4→Pb2++SO42-Pb2++2e→Pb

总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4蓄电池常见的故障故障特征极板上生成一层白色粗晶粒的PbSO4，在正常充电时不能转化为PbO2和Pb的现象。（1）硫化的电池放电时，电压急剧降低，过早降至终止电压，电池容量减小。（2）蓄电池充电时单格电压上升过快，电解液温度迅速升高，但密度增加缓慢，过早产生气泡，甚至一充电就有气泡。故障原因（1）蓄电池长期充电不足或放电后没有及时充电，导致极板上的PbSO4有一部分溶解于电解液中，环境温度越高，溶解度越大。当环境温度降低时，溶解度减小，溶解的PbSO4就会重新析出，在极板上再次结晶，形成硫化。（2）电解液液面过低，使极板上部与空气接触而被氧化，在行车中，电解液上下波动与极板的氧化部分接触，会生成大晶粒PbSO4硬化层，使极板上部硫化。（3）长期过量放电或小电流深度放电，使极板深处活性物质的孔隙内生成PbSO4。（4）新蓄电池初充电不彻底，活性物质未得到充分还原。（5）电解液密度过高、成分不纯，外部气温变化剧烈。排除方法轻度硫化的蓄电池，可用小电流长时间充电的方法予以排除；硫化较严重者采用去硫化充电方法消除硫化；硫化特别严重的蓄电池应报废。故障一：极板硫化故障特征主要指正极板上的活性物质PbO2的脱落。蓄电池容量减小，充电时从加液孔中可看到有褐色物质，电解液浑浊。故障原因（1）蓄电池充电电流过大，电解液温度过高，使活性物质膨胀、松软而易于脱落。（2）蓄电池经常过充电，极板孔隙中逸出大量气体，在极板孔隙中造成压力，而使活性物质脱落。（3）经常低温大电流放电使极板弯曲变形，导致活性物质脱落。（4）汽车行驶中的颠簸振动。排除方法对于活性物质脱落的铅蓄电池，若沉积物较少时，可清除后继续使用；若沉积物较多时，应更换新极板和电解液。故障二：活性物质脱落故障特征主要是正极板栅架腐蚀，极板呈腐烂状态，活性物质以块状堆积在隔板之间，蓄电池输出容量降低。故障原因（1）蓄电池经常过充电，正极板处产生的O2使栅架氧化。（2）电解液密度、温度过高、充电时间过长，会加速极板腐蚀。（3）电解液不纯。排除方法腐蚀较轻的蓄电池，电解液中如果有杂质，应倒出电解液，并反复用蒸馏水清洗，然后加入新的电解液，充电后即可使用；腐蚀较严重的蓄电池，如果是电解液密度过高，可将其调整到规定值，在不充电的情况下继续使用；腐蚀严重的蓄电池，如栅架断裂、活性物质成块脱落等，则需更换极板。故障三：极板栅架腐蚀故障特征蓄电池正、负极板直接接触或被其它导电物质搭接称为极板短路。极板短路的蓄电池充电时充电电压很低或为零，电解液温度迅速升高，密度上升很慢，充电末期气泡很少。

故障原因（1）隔板破损使正、负极板直接接触。（2）活性物质大量脱落，沉积后将正、负极板连通。（3）极板组弯曲。（4）导电物体落入池内。

排除方法出现极板短路时，必须将蓄电池拆开检查。更换破损的隔板，消除沉积的活性物质，校正或更换弯曲的极板组等。

故障特征蓄电池在无负载的状态下，电量自动消失的现象称为自放电。如果充足电的蓄电池在30天之内每昼夜容量降低超过2%，称为故障性自放电。故障原因（1）电解液不纯，杂质与极板之间以及沉附于极板上的不同杂质之间形成电位差，通过电解液产生局部放电。（2）蓄电池长期存放，硫酸下沉，使极板上、下部产生电位差引起自放电。（3）蓄电池溢出的电解液堆积在电池盖的表面，使正、负极柱形成通路。（4）极板活性物质脱落，下部沉积物过多使极板短路。排除方法自放电较轻的蓄电池，可将其正常放完电后，倒出电解液，用蒸馏水反复清洗干净，再加入新电解液，充足电后即可使用；自放电较为严重时，应将电池完全放电，倒出电解液，取出极板组，抽出隔板，用蒸馏水冲洗之后重新组装，加入新的电解液重新充电后使用。故障五：自放电故障四：极板短路2镍镉（氢）蓄电池工作原理

1.放电过程中的电化学反应负极反应正极反应

总反应2.充电过程中的化学反应

充电时负极板上的氢氧化镉，先电离成镉离子和氢氧根离子，然后镉离子从外电路获得电子，生成镉原子附着在极板上，而氢氧根离子进入溶液参与正极反应镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出80%的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记忆效应。电池全部放完电后，极板上的结晶体很小。电池部分放电后，氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍，剩余的氢氧化亚镍将结合在一起，形成较大的结晶体。结晶体变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因。

贵！

镍氢电池和同体积的镍镉电池相比，容量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效应。镍氢电池正极的活性物质为NiOOH（放电时）和Ni(OH)2(充电时)，负极板的活性性物质为H2（放电时）和H2O（充电时），电解液采用30%的氢氧化钾溶液，充放电时的电化学反应如下：过量充电时的电化学反应：

比较（镍镉）

由于有催化剂的氢电极面积大，而且氢气能够随时扩散到氢电极表面，因此，氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水，使容器内的气体压力保持不变，这种再化合的速率很快，可以使蓄电池内部氧气的浓度，不超过千分之几。

过充电时，电池内产生的大量气体，如果不能很快复合，电池内部的压力就会显著增加，这样将损伤电池。气泡聚集在极板表面，将减小极板表面参与化学反应的面积并且增加电池的内阻。

放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样，极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。蓄电池参数

蓄电池的五个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。

电池的容量通常用Ah(安时)表示，1Ah就是能在1A的电流下放电1小时。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流。蓄电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为蓄电池的额定容量。例如，用2A电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C；同样地，用2A电流对500mAh电池充电，充电速率就是4C。

标称电压：电池刚出厂时，正负极之间的电势差。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压略有变化，此外，电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定关系。单元镍镉电池的标称电压约为1.3V（但一般认为是1.25V），单元镍氢电池的标称电压为1.25V。

电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗。在充放电过程中，极板的电阻是不变的，但是，离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。

充电终止电压：蓄电池充足电时，极板上的活*物质已达到饱和状态，再继续充电，蓄电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1.75~1.8V，镍氢电池的充电终止电压为1.5V。

锂离子电池的工作原理锂离子电池正极材料：几种材料的性能对比固体电解质层SEI：形成原因和作用电解液：有机溶剂的混合使用聚合物电解质：工作原理第四节锂离子电池一、概述锂离子电池的定义指以两种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合物分别作为电池正极和负极的二次电池体系锂离子电池的发展历史1980年，M.Armand等人首先提出用嵌锂化合物来代替二次锂电池中的金属锂负极，并提出“摇椅式电池”（rockingchairbattery）的概念嵌锂化合物代替二次锂电池中的金属锂负极，电池的安全性大为改善，并且具有良好的循环寿命，同时电池的充放电效率也得到提高1990年日本Sony公司研制出以石油焦为负极、LiCoO2为正极的锂离子二次电池锂离子电池的工作原理正极负极电池具有高比能量、长循环寿命、较宽的工作温度范围、高可靠性等优点

锂离子电池的优点二、正极材料对锂离子正负极材料的要求：具有层状或隧道的晶体结构，以利于锂离子的嵌入和脱出，该晶体结构牢固，在充放电电压范围内的稳定性好，使电极具有良好的充放可逆性，以保证锂离子电池的循环寿命;充放电过程中，应有尽可能多的锂离子嵌入和脱出，使电极具有较高的电化学容量;3.

在锂离子进行嵌脱时，电极反应的自由能变化应较小，以使电池有较平稳的充放电电压，以利于锂离子电池的广泛应用;锂离子应有较大的扩散系数，以减少极化造成的能量损耗，保证电池有较好的快充放电性能;分子量小，提高重量能量密度；摩尔体积小，提高体积能量密度.LiCoO2正极材料锂离子电导率高，扩散系数10-9～10-7cm/s充电上限电压4.3V，高于此电压基本结构会发生改变制备方法

固相合成法（0≤x≤0.5）

LiNiO2正极材料与LiCoO2相比，LiNiO2具有的优势制备困难：制备电化学性能良好且具有化学计量结构的LiNiO2条件非常苛刻制备的LiNiO2一般表示为Li2xNi2-2xO2，x在0.3～0.5范围内变化改性主要有掺杂和包覆处理,较为成功的是Co的掺杂锂锰氧化物Mn资源非常丰富、无毒、价廉;锂锰氧化物是最有希望取代锂钴氧化物的正极活性物质1.尖晶石型LixMn2O4立方结构当1<x≤2时，Mn离子主要以＋3价存在，将导致严重的Jahn-Teller效应(容量衰减)

在电解液中会逐渐溶解，发生Mn3+歧化反应；电解液在高压充电时不稳定，即Mn4+具有高氧化性2.层状LiMnO2扭曲的四方密堆结构在3.5~4.5V范围内，LiMnO2脱锂容量高，可达200mAh/g，但脱锂后结构不稳定，慢慢向尖晶石型结构转变。晶体结构的反复变化导致体积的反复膨胀和收缩，循环性能不好。较高温度下也会发生Mn的溶解而导致电化学性能劣化三种正极活性材料性能比较材料名称理论比容量(mAh/g)实际比容量(mAh/g)密度(g/cm3)价格比特点LiCoO2275130-1405.003性能稳定，体积比能量高，放电平台平稳LiNiO2274170-1804.782高比容量，热稳定性较差，价格较低LiMn2O4148100-1204.281低成本，比容量较低，高温循环和存放性能较差，安全性好嵌锂磷酸盐正极材料LiMPO4（M=Mn、Fe、Co、Ni）正极材料中，以LiFePO4的研究最为突出

实际放电容量>160mAh/g,3C大电流下放电比容量>130mAh/g,其在原料来源、成本、环保和化学稳定性方面也都令人满意。影响材料的最主要因素是LiFePO4室温下的低电导率

三、负极材料碳负极材料：石墨典型的石墨化负极材料有石墨化中间相微珠、天然石墨和石墨化碳纤维理论容量372mAh/g，电位基本与金属锂接近.不可逆容量低，首次充电效率高，且价格低廉。固体电解质层(SEI)

对于所有的碳材料，在锂嵌入石墨层间时，电解质溶液中的有机溶剂和锂盐均可能从电极得到电子，发生还原反应，在电极表面形成对电子绝缘而对离子导电的固体电解质层(SEI).

其主要组成为Li2CO3、ROCO2Li.当SEI层的厚度增加到能够阻止溶剂从电极上得到电子时，还原反应自行终止，相当于在电极表面形成了一层钝化膜

主要缺点是墨片面容易发生剥离，循环性能不是很理想，需要进行改性处理.氧化物负极材料无定形锡基复合氧化物：SnMxOy

SnSi0.4Al0.2P0.6O3.6零应变材料

LiTi5O12

相对于金属锂的电位为1.5V，因而与4V的正极材料配对形成2.5V的电池.

可逆容量一般为150mAh/g.锂的嵌入和脱嵌不会产生应变，循环寿命很好四、电解液对锂离子电池电解液的要求锂离子电导率高。在一般稳定范围内，电导率要达到3×10-3～2×10-2S/cm。电化学窗口大。即电化学性能在较宽的范围内不发生分解反应。电解质的可用液态范围宽，在－40～70℃范围内均为液态。热性能稳定，在较宽的范围内不发生分解反应。化学稳定性高，即与电池体系的电极材料、集流体、隔膜、粘接剂等基本上不发生反应。最大可能促进电极可逆反应的进行；没有毒性，使用安全；容易制备，成本低。有机溶剂有机溶剂应当在相当低的电位下稳定或不与金属锂发生反应，因此必须是非质子溶剂；极性高（也就是介电常数大），能溶解足够的锂盐（锂盐容易解离）；同时黏度低（离子移动速度快），从而使电导率高；溶点低、沸点高，蒸汽压低，工作温度范围宽

但是上述几方面基本相互冲突,通常采用混合溶剂来弥补各组分的缺点一般采用直链酯和环酯(如EC+DMC，PC+DEC)混合溶剂电解质无机锂盐

LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6有机锂盐

三氟甲基磺酸锂LiCF3SO3

二(三氟甲基磺酰)亚胺锂LiN(CF3SO2)2

三(三氟甲基磺酰)甲基锂LiC(SO2CF3)五、聚合物锂离子电池聚合物电池的提出用液体电解质组装的锂离子电池在使用过程中逐渐暴露出易生长枝晶、漏液、安全性差等问题

聚合物锂离子电池（PLIB，PolymerLithiumIonBattery）的主要优点是无漏液、电池尺寸形状容易设计，电池安全性大为提高。现有三种聚合物锂离子电池：（1）固体聚合物电解质电池（2）凝胶聚合物电解质电池（3）聚合物正极电池聚合物电解质的工作原理定义：含有聚合物材料且能像液体一样导电的电解质导电机理：首先迁移离子如锂离子等与聚合物链上的极性基团如氧、氮等原子配位；在电场作用下，随着聚合物高弹区中分子链段的热运动，迁移离子与极性基团不断发生配位和解配位的过程，从而实现离子的迁移。

聚合物电解质的分类聚合物电解质可分为：固体聚合物电解质SPE(SolidPolymerElectrolyte)和凝胶聚合物电解质GPE目前已开发的聚合物电解质有：聚环氧乙烯(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，并在此基础上形成各种共聚物电解质新型聚合物锂离子电池TiS2为负极的聚合物锂离子电池Dion电池电池的性能充放电（容量）测试、高低温性能、循环性能安全性能项目试验条件新电池循环后电池电特性短路外短路无异常无异常过充电1C,12V(max)无异常无异常异常电流充电6C,12V(max)无异常无异常力学性能针刺刺破短路无异常无异常挤压压至短路无异常无异常振动振幅0.88mm,10Hz-55Hz1Hz/min,90min无异常无异常落下1.9m,10次无异常无异常热特性箱内加热150℃,保持10min无异常无异常焚烧置于火焰上起火起火六、锂离子电池的电性能

“是什么东西使得我国无以数计的城镇的春天之音沉寂下来了呢？”

－－摘自美国科学家卡逊的警世之作《寂静的春天》草树知春不久归，百般红紫斗芳菲

被石油污染的企鹅

黑色天空

五颜六色的水

不堪重负的大地－山西某矿区

传统能源对环境污染起了

推波助澜的作用吞烟吐雾的火力发电站

招摇过市的冒烟车传统能源发电方式的瓶颈一般我们熟知的发电方式就是利用燃料(石油、煤炭、汽油、核能等)通过化学变化产生热能之后，间接利用水蒸汽推动发电机来产生电能。这样的能量转换过程需要经过許多程序，相对其转换的过程程中也消耗了許多不必要的浪費，以至于最后变成电能的效率通常都只剩下_____左右。30%圖片取自「新核家園」網站若可以不要经过这些复杂且不必要的化学变化，而是直接將燃料转换成电能，理论上就可以大幅提高能源转换的效率！Whowillbe（无污染、效率高）

未来能源希望之星？！燃料电池《应用电化学》

第二章电池

第五节燃料电池一燃料电池的起源1839年，由英国法官威廉葛洛夫(WilliamGrove)在一次实验中意外发现了燃料电池的发电原理；但当時因为电极材料問題，使这項发明未受重视。1959年，法蘭西斯培根(FrancisT.Bacon)制作出一个5kW的燃料电池組，能夠推动高耗能电器，使这項技术得以走出实验室。其后使用氢气为燃料的碱性燃料电池(AFC)成功应用在航天飞机的电力供应系統；其产物是純淨的水，成为太空人饮用水的來源之一。二燃料电池的定义燃料电池（Fuelcell），是一种使用燃料进行化学反应直接产生电力的裝置。由于它是把燃料通过化学反应释出的能量变为电能输出，所以被称为燃料电池。燃料的选择性非常高，包括氢气、甲醇、乙醇、天然气，甚至于現在运用最广泛的汽油，都可以做为燃料电池的燃料。

以特殊催化剂使燃料与氧发生反应，因不需推动涡轮等发电器具，也不需将水加热至水蒸汽再经散热变回水，所以能量转换效率高达70%~80%左右，足足比一般发电方法高出了40%以上。三燃料电池的种类依电解质的种类，一般可分为质子交换膜燃料电池（protonexchangemembranefuelcell,PEMFC）碱性燃料电池（alkalinefuelcell,AFC）磷酸燃料电池（phosphoricacidfuelcell,PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（moltencarbonatefuelcell,MCFC）固态氧化物燃料电池（solidoxidefuelcell,SOFC）直接甲醇燃料电池（directmethanolfuelcell，DMFC,PEMFC的延续）生物燃料电池目前主要的方式四工作原理（重点掌握内容）

－质子交换膜燃料电池燃料电池是利用水的电解的逆反应的"发电机"。工作时向负极供给燃料（氢），向正极供给氧化剂（空气）。氢在负极分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，空气中的氧同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程。按此看动画电极反应及电池总反应式：阳极(电池負极)半反应

H2

－2e-

→2H+阴极(电池正极)半反应

2H++½O2+2e-→H2O总反应

H2+½O2→H2OΔE=1.229V(latm、25℃)

【水电解的逆反应】H2

→2

H+

+2H2H+e-H+22+2e-+12O2H2O电解质O2阳极阴极提问：比较燃料电池与一次电池（干电池、锌银纽扣电池）、二次电池（铅酸蓄电池、镍镉/氢电池、锂离子电池）在工作原理上的差异及各电池的特征？①燃料做负极，助燃剂氧气为正极；②电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用；⑤能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源；③氧化剂与还原剂在工作时不断补充；④反应产物不断排出；小结：⑥零污染。五燃料电池在应用上的优势低污染高效率无噪音用途广免充电燃料來源广燃料电池比一般发电方式更为清洁，若用氢气作为燃料，其排放物是可供饮用的水和可以利用的热能。发电主体无噪音问题，若需散热則有風扇的杂音。

燃料电池所能提供的电力范围广泛(1W~1000MW)，因此可应用的产品也多。

一般电池是將能源貯藏于电池本体中，待用完后即需舍弃或重新充电，以恢复电力。燃料电池的能源是由燃料中的化学能所提供，不含在电池本体結构中，因此只要燃料源源不断的供应，燃料电池便可以不停的发电。

只要含有氢原子的化学能源如天然气、石油、煤炭等气化产物，或是沼气、酒精、甲醇等，都可作为燃料电池的能源进料。

因为燃料电池直接將燃料中的化学能转换成电能，故不受卡诺循环的限制。

IBM研制出采用燃料电池的ThinkPad原型机加拿大AngstromPower的公司生产出了全球第一款手机使用的燃料电池，并已经应用到了摩托罗拉L7手机中六最新科技－燃料电池商业化产品

在美国加利福尼亚举办的第三届CaFCP公路拉力赛上，一款由面向未来、当前最畅销的欧洲车格外引人注目，这就是全新的大众汽车Touran

HyMotion。这辆多功能轿车使用一台燃料电池为其高扭矩电动机提供能量。这是一款最新型的绝对零排放的多功能轿车。零排放燃料电池汽车--大众途安

红豆集团旗下的千里马车业公司联手上海攀业共同开发的全新一代燃料电池自行车为我们实现了这一梦想。全新“绿色天使”系列燃料电池自行车是第一款批量出口的燃料电池自行车。全新一代燃料电池自行车

中国完全自主知识产权、自主品牌的第四代燃料电池汽车近日亮相上海同济大学校园。该车最高时速可达一百五十公里以上，百公里加速时间也从之前的十九秒缩至十五秒，加一次氢气更是可以持续行驶超过三百公里，无论是在驾驶性能上还是在环保性能上都堪称“未来汽车”的典范。同济大学汽车学院研制的第四代燃料电池汽车------美国空军学院研究的氢燃料电池无人机七课程实践－实验室自制简易燃料电池所需器材透明塑胶罐、废四号干电池、计算器、LED灯利用废电池的碳棒当作电极，因为碳棒(石墨)的表面有許多細小的毛孔，所以可以吸附部分的气体，是制作简易燃料电池很方便的材料，方便又环保！利用电源供应器电解一段時間后，使正极附著氧气，負极附著氢气，燃料电池所需的「燃料」便有了！接上LED灯可明显看到燃料电池发电了接上計算器也可以使用希望大家都能有一個愉快的学習！创意來自想像与务实的結合H2e-H+H+e-O2H2e-e-H+H+H2OH2O圖片取自「科学人雜誌」回到課程太阳能电池的发展历史太阳能电池市场状况及趋势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第六节太阳能电池1.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。一些发达国家制定了一系列鼓舞光伏发电的优惠政策，幷实施庞大的光伏工程计划，为太阳能电池产业创造了良好的发展机遇和巨大的市场空间，太阳能电池产业进入了高速发展时期，幷带动了上游多晶硅材料业和下游太阳能电池设备业的发展。在1997－2006年的10年中，世界光伏产业扩大了20倍，今后10年世界光伏产业仍以每年30％以上的增长速度发展。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8％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，2010年欧洲生产60亿瓦光伏电池据统计，从2002年至今，中国太阳能电池产量猛增了77倍。2009年，我国太阳能电池产量约占世界总产量的三分之一，连续三年成为世界第一大太阳能电池生产国。尽管我国太阳能电池从2007年开始成为世界生产最多的国家，但是，我们现在对太阳能普遍的转化效率是16%，17%，国外最高的已经超过了20%。我国太阳能电池的发展1958年我国开始研制太阳能电池1959年中国科学院半导体研究所研制成功第一片具有实用价值的太阳能电池

1971

年在我国发射的第二颗人造卫星——科学实验卫星实践一号上首次应用太阳能电池1973年在天津港的海面航标灯上首次应用14.7W太阳能电池1979年我国开始利用半导体工业废次硅材料生产单晶硅太阳能电池1980年~1990年期间我国引进国外太阳能电池关键设备、成套生产线和技术2004年我国太阳能电池产量超过印度，年产量达到50MW以上

20世纪80年代后期，我国太阳能电池生产能力达到4.5MW/年，初步形成了我国太阳能电池产业

2005~2006年，我国的太阳能电池组件产量100MW/年以上，我国成为世界重要的光伏工业基地之一，初步形成一个以光伏工业为源头的高科技光伏产业链并网发电系统及工作原理太阳能并网发电系统主要由太阳电池阵和并网逆变器两部分组成。

1.太阳电池阵：将太阳光能转换成电能，在阳光充足时通过并网逆变器将直流电转换为交流电输入电网。2.并网逆变器：并网逆变器是将直流电转换为交流电的设备，输入端接太阳电池阵，输出端接交流电网。并网逆变器除具有普通逆变器的功能外，还应具有以下功能：

1)纯正弦波同步并网送电：通过DC/AC电压型逆变器实现电流瞬时控制，将电流控制成50Hz正弦波，自动与电网同步后送入电网。以正弦波电流的方式并网送电不会对电网产生谐波干扰和过多的无功分量。

2)太阳能电池最大功率追踪技术：以晶体硅为基本材料的太阳能电池在不同的照射强度和温度下其I-V特性曲线各不相同，而输出与I-V特性相应存在一个最大功率输出点，因此，对太阳电池最大输出功率点的追踪MPPT(MaximumPowerPointTrace)成为提高整个系统效率的关键点之一。

3)反孤岛运行技术：并网发电运行时，电网因意外情况出现停电时，并网运行设备应该能够及时检测出电网停电情况，并与电网解列，停止向电网送电，以保护人身和设备安全。

4)独立供电及自动同步并网运行技术：系统在电网停电时，可实现自动与电网解列，独立向重要负载提供优质交流电能。在配备蓄电池后，本系统还可在夜间不间断地提供电能。在电网恢复供电时，通过与电网电压同步，可在不影响给负载供电的情况下切换至并网发电运行方式。2.太阳能电池市场状况及趋势2.1太阳能电池的市场状况

1998年以前，单晶硅电池占世界光伏生产的主导地位，其次是多晶硅电池。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。CdTe电池从20世纪80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，除技术因素外，人们对Cd的毒性的疑虑也是原因之一。CIS电池的产业化进程比较缓慢，原因是生产过程中化学剂量比难以控制，大面积均匀性和重复性较差。2.2太阳能电池的未来发展趋势

2.2.1商业化趋势

1998年以前，单晶硅电池占市场主导地位，其次是多晶硅电池。

从1998年起，多晶硅电池开始超过单晶硅跃居第一。非晶硅从80年代初开始商业化，由于效率低和光衰减问题，市场份额先高后低。

CdTe电池从80年代中期开始商业化生产，市场份额增加缓慢，Cd的毒性是原因之一；铜铟硒薄膜太阳电池（CIS电池）的产业化进程比较缓慢，生产工艺难于控制，In是稀有元素；

Sanyo公司a-Si/c-Si电池商业化仅两三年，发展迅速2.2.2技术发展趋势2.2.2.1硅基电池:

硅是地球上丰度第二大元素，资源丰富(以石英砂形式存在)；

环境友好；

电池效率高，性能稳定；

工艺基础成熟。

硅基电池是目前光伏界研究开发的重点、热点晶硅电池的产业化技术硅基薄膜电池研究开发方向：晶硅电池:①提高电池/组件效率高效钝化技术：TiO2，SiNx,H、SiO2,a-Si。。高效陷光技术：减反射，表面织构化，背反射等，选择性发射区(前)，背表面场(BSF)，细栅或者单面技术，

高效封装技术－最佳封装材料的折射率等。②简化、改进工艺－自动化、环保、低成本；如硅片薄化及其工艺，③材料的国产化和提高性能；硅基薄膜电池

①低温过程(PECVD)<300℃，非晶、微晶、微非迭层－效率、稳定性，柔性衬底②低温过程>900℃,多晶硅基薄膜电池，廉价衬底；2.2.2.2化合物电池

CIGS电池：提高效率，大面积重复性，S代Se

CdTe电池：提高效率，大面积重复性

Gratzel电池－高效染料，固体或准固态电解质，提高效率，大面积重复性有机电池－高效电子受体和给体以及材料，提高效率

3.新型概念电池：量子点、量子阱电池，中间带光伏电池，带隙递变迭层电池等，尚处在理论探索、概念研究和验证阶段。3.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采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导电性。

P型半导体（P指positive，带正电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的三价元素组成，会在半导体内部形成带正电的空穴；

N型半导体（N指negative，带负电的）：由单晶硅通过特殊工艺掺入少量的五价元素组成，会在半导体内部形成带负电的自由电子。

在P型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。N型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。在PN结上外加一电压，如果P型一边接正极，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。

PN结

（1）同质结太阳能电池：由同一种半导体材料一个或多个pn结的太阳电池，如p-n结太阳电池，p-n结砷化镓太阳电池等。

（2）异质结太阳能电池：由两种不同半导体材料在相接界面上构成划质结太阳电池，如氧化锡一硅、硫化镉一硫化亚铜、砷化镓一硅异质结太阳电池等。若构成异质结的两种材料的晶格匹配比较好，则称为异质面太阳电池，如砷化镓一砷化铝镓异质面太阳电池等。

（3）肖特基结太阳能电池：由金属和半导体接触形成肖特基势垒的电池，简称MS电池。已发展成金属－氧化物－半导体（MOS）、金属一绝缘体一半导体（MIS）太阳电池等。

（4）复合结太阳能电池：由两个或多个结形成的太阳电池。如由一个（MIS）太阳电池和一个p-n结硅电池叠合而形成高效MISNP复合结硅太阳电池，其效率已达22%。复合结太阳电池往往做成级联型，把宽禁带材料放在顶区，吸收阳光中的高能光子，用窄禁带材料吸收低能光子，使整个电池的光谱响应拓宽。砷化铝镓—砷化镓—硅太阳电池的效率高达31%。

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无机化合物半导体电池

系指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的电池，如硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、碲化镉太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。化合物半导体主要包括：①晶态无机化合物(如Ⅲ—V族化合物半导体砷化镓、磷化镓、磷化铟、锑化铟等，Ⅱ—Ⅵ族化合物半导体硫化镉、硫化锌等)及其固溶体(如镓铝砷、镓砷磷等)；②非晶态无机化合物，如玻璃半导体；③有机化合物，如有机半导体；④氧化物半导体，如MnO、Cr2O3、FeO、Fe2O3、Cu2O等。硅太阳能电池

系指以硅为基体材料的