太陽能可充電電池：優(yōu)勢、挑戰(zhàn)與機遇

【引言】

能源問題是當今世界永恒的話題，它促成了電子設(shè)備、新能源汽車以及智能電網(wǎng)的發(fā)展。太陽能作為一種清潔可持續(xù)發(fā)展能源可以彌補電池的不足，而電池又能彌補太陽能間歇性的問題。如何將太陽能電池和儲能電池有機的結(jié)合起來？近日，來自美國南達科他州立大學(xué)的Qiquan Qiao（喬啟全）教授（通訊作者）等人對設(shè)計“太陽能電池－儲能電池”集成系統(tǒng)中遇到的問題進行了總結(jié)、討論和展望。其中對“太陽能電池－儲能電池”集成系統(tǒng)中三個重要的參數(shù)能量密度、效率和穩(wěn)定性分別進行一一解讀。

1．集成太陽能電池－儲能電池的必要性

當今的大眾消費者嚴重依賴能源技術(shù)及其發(fā)展。當前能源相關(guān)的三大關(guān)鍵技術(shù)為智能電子產(chǎn)品，電動汽車和智能電網(wǎng)。智能電子產(chǎn)品依賴于容量有限的電池，需要使用有線連接頻繁地對電子器件進行充電。太陽能或光伏為電池充電提供了可能的便利，因為在戶外陽光下，太陽能的能量密度可達100 mW cm －2。目前另一個欣欣向榮的市場為電動汽車行業(yè)，雖然電動車不生產(chǎn)碳排放量，但是汽車所使用的電力大部分來自礦物燃料驅(qū)動的電網(wǎng)。除非車輛使用的電力來自可再生能源，否則電動汽車的可持續(xù)性意義不大。另外，充電站的分布也限制了其實際應(yīng)用。像光伏發(fā)電這樣的分布式發(fā)電是最合適電動汽車的充電方式。另一個前景應(yīng)用是電網(wǎng)?？稍偕茉吹膽?yīng)用正在穩(wěn)步擴大，使用光伏能源的最大問題是夜間或陰天缺乏陽光，造成使用過程中的間歇性供電。這種間歇性會導(dǎo)致功率波動輸出，這是電網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵問題。因此，電力公司將光伏電力集成到電網(wǎng)中的功率進行限制。這樣一來并未充分利用光伏發(fā)電的潛力。儲能電池可以解決這些問題，電池白天可以充電，晚上可以放電，為實現(xiàn)光伏發(fā)電接入電網(wǎng)提供了可能性。

2．傳統(tǒng)和先進“太陽能電池－儲能電池”系統(tǒng)的對比

使用太陽能電池給電池充電的傳統(tǒng)方法是兩個系統(tǒng)獨立設(shè)計（圖1A），其涉及的太陽能電池和儲能電池作為兩個獨立單元的通過電線連接。這樣的系統(tǒng)往往比較昂貴、笨重而且不靈活，還需要比較大空間，另外外部的電線會導(dǎo)致電能損失。

有機的將產(chǎn)能和儲能合并為一個單元實現(xiàn)一體化設(shè)計將會有效的解決太陽能電池和電池的能量密度問題。這種設(shè)計具有小型化的特點，進而會減少成本，增加了光伏系統(tǒng)的實用性。盡管有很多優(yōu)點，但是其在效率，容量和穩(wěn)定性等方面還存在很大的挑戰(zhàn)。目前在該方面的研究仍處于初級階段，研究的重心主要集中在材料和裝置的設(shè)計上。

集成光伏電池系統(tǒng)可以通過兩種不同的配置來實現(xiàn)三電極（圖1B和1C）和雙電極（圖1D）。其中三電極設(shè)計中，一個電極被用作公用電極作為光伏器件和電池之間的陰極或陽極。在雙電極配置中，正極和負極同時執(zhí)行光轉(zhuǎn)換功能和儲能功能。

圖1 傳統(tǒng)的太陽能電池和儲能電池獨立設(shè)計（A），三電極設(shè)計（B和C）和兩電極設(shè)計（D）

3．二元分離式“太陽能電池—儲能電池”的設(shè)計

本部分對前人分離式“太陽能電池—儲能電池”設(shè)計的工作進行了總結(jié)，硅太陽能電池、鈣鈦礦太陽能電池以及染料敏化太陽能電池都能以不同的形式與鋰離子電池相結(jié)合，其中圖2A和B顯示了四個串聯(lián)的鈣鈦礦太陽能電池對鋰離子電池充電，效率達到7．36％。本文通訊作者喬啟全團隊利用變壓器和最大功率點跟蹤實現(xiàn)了使用單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池對鋰離子電池充電，其效率達到了9．36％，該項研究成果發(fā)表在Advance Energy Materials上（圖2C和D）。

圖2 分離式光伏電池系統(tǒng)

（A，B）利用四塊鈣鈦礦太陽能電池為Li4Ti5O12／LiFePO4鋰離子電池充電

（C，D）利用單節(jié)鈣鈦礦太陽能電池在直流－直流轉(zhuǎn)換器的幫助下為Li4Ti5O12／LiCoO2鋰離子電池充電

4．一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設(shè)計

大多數(shù)關(guān)于一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設(shè)計工作集中于將太陽能電池和電容式儲能相結(jié)合而不是與電池。集成系統(tǒng)可分為三種類型的設(shè)計（1）直接集成，（2）光輔助集成 和（3）氧化還原液流電池集成。 直接集成包括將太陽能電池和電池堆疊在一起（不包括氧化還原液流電池）。 光輔助集成使用太陽能為電池充電只提供一部分的能量。 氧化還原液流集成涉及使用具有太陽能充電的氧化還原液流電池。 文章分別對這三種形式前人的工作進行了詳細的概括總結(jié)，圖3、4和5 分別為它們的典型代表。