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太阳能充电电池：优势、挑战和机遇
发布时间：
2020-04-15
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能源问题是当今世界永恒的话题。它推动了电子设备、新能源汽车和智能电网的发展。太阳能作为一种清洁可持续的能源，可以弥补电池的不足，而电池可以弥补太阳能的间歇性问题。如何将太阳能电池和储能电池有机地集成在一起？最近，美国南达科他州立大学的乔其全教授（通讯作者）对“太阳能电池-储能电池”集成系统设计中遇到的问题进行了总结、讨论和展望。其中，对“太阳能电池-储能电池”集成系统中的三个重要参数：能量密度、效率和稳定性分别进行了阐述。
1. 集成太阳能电池-储能电池的需求
当今的大多数消费者严重依赖能源技术及其发展。当前三种关键的能源相关技术是智能电子产品、电动汽车和智能电网。智能电子产品依赖于容量有限的电池，需要使用有线连接来频繁地为电子设备充电。太阳能或光伏技术为电池充电提供了可能性，因为在户外的阳光下，太阳能的能量密度可以达到100 mW/c㎡。目前，另一个蓬勃发展的市场是电动汽车行业。虽然电动汽车不产生碳排放，但车辆使用的大部分电力来自化石燃料驱动的电网。除非车辆使用可再生能源的电力，否则电动汽车的可持续性意义不大。此外，充电站的分布也限制了它们的实际应用。分布式发电，例如光伏发电，是电动汽车最合适的充电方式。另一个前景应用是电网。可再生能源的应用正在稳步扩大。使用光伏能源最大的问题是夜间或阴天缺乏阳光，导致使用过程中电力供应间歇性。这种间歇性会导致电力波动输出，这是电网应用的关键问题。因此，电力公司限制了光伏电力并入电网的功率。结果，光伏发电的潜力并未得到充分利用。储能电池可以解决这些问题。电池可以在白天充电，晚上放电，这为光伏发电接入电网提供了可能性。
2. 传统和先进“太阳能电池-储能电池”系统的比较
传统使用太阳能电池为电池充电的方法是将两个系统独立设计（图1A），这涉及到太阳能电池和储能电池通过导线连接作为两个独立的单元。这样的系统通常昂贵、笨重且不灵活。它们还需要相对较大的空间。此外，外部导线还会导致能量损失。
将生产能力和储能结合到一个单元中以实现集成设计，将有效解决太阳能电池和电池的能量密度问题。这种设计具有小型化的特点，进而降低了成本并提高了光伏系统的实用性。虽然有很多优点，但在效率、容量和稳定性方面仍然存在巨大挑战。目前，这方面的研究仍处于起步阶段。研究重点主要集中在材料和器件的设计上。
集成光伏电池系统可以通过两种不同的配置实现：三电极（图1B和1C）和两电极（图1D）。在三电极设计中，一个电极用作光伏器件和电池之间的公共电极，作为阴极或阳极。在两电极配置中，正负电极同时执行光转换功能和储能功能。
图1 传统太阳能电池和储能电池的独立设计（A）、三电极设计（B和C）和两电极设计（D）
3. 二元分离型“太阳能电池-储能电池”的设计
本节总结了前人分离式“太阳能电池-储能电池”设计的工作。硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池和染料敏化太阳能电池可以与锂离子电池以不同的形式结合。其中，图2A和B显示，四个串联的钙钛矿太阳能电池用于为锂离子电池充电，效率为7.36%。论文的乔其全团队使用变压器和最大功率点跟踪技术，实现了使用单电池钙钛矿太阳能电池为锂离子电池充电。效率达到9.36%。研究结果发表在Advance Energy Materials上（图2C和D）。
图2 分离式光伏电池系统
（图A，图B）使用四个钙钛矿太阳能电池为Li4Ti5O12/LiFePO4锂离子电池充电
（图C，图D）在DC-DC转换器的辅助下，使用单电池钙钛矿太阳能电池为Li4Ti5O12/LiCoO2锂离子电池充电。
4. 单片集成“太阳能电池-储能电池”设计
大多数关于单片集成“太阳能电池-储能电池”的设计工作都集中在太阳能电池和电容储能的结合上，而不是电池。集成系统可以分为三种设计类型：（1）直接集成，（2）光辅助集成和（3）氧化还原液流电池集成。直接集成涉及将太阳能电池和电池堆叠在一起（不包括氧化还原液流电池）。光辅助集成使用太阳能仅用一部分能量为电池充电。氧化还原液流集成涉及使用太阳能充电的氧化还原液流电池。文章对这三种形式的前人工作进行了详细的总结。图3、4和5是它们的典型代表。
图3 直接集成
硅太阳能电池为Li4Ti5O12/LiCoO2锂离子电池的三电极(A)设计示意图和(B)光电充电/恒流放电循环性能。混合染料及磷酸铁锂为正极、锂金属为负极的双电极设计的(C)示意图及充电过程和(D)充/放电电压曲线。
图4 光辅助充电集成
染料敏化的TiO2光电极与锂氧电池的氧电极集成的(A)示意图和(B)充电曲线。染料敏化太阳能电池与Li/LiFePO4锂离子电池集成(C)示意图和(D)光辅助充电曲线。
图5 太阳能与液流电池的集成
基于Li2WO4/LiI双相电解液的太阳能可充电氧化还原液流电池(A)示意图和(B)光电充电、恒电流放电电压曲线。双硅光电化学电池和醌/溴氧化还原液流电池的集成的(C)示意图，(D)恒流放电曲线和(E)整体效率。
5. 技术上的挑战和机遇
5.1 能量密度
传统的锂离子电池为了提高能量密度，通常采用卷绕式封装，但这对于‘太阳能电池-储能电池’集成系统来说是不可行的，因为锂离子电池的封装方式会影响太阳能的接收面积。太阳能电池的数量和功率需要与储能部分匹配，以解决可用的光伏表面积、可能的电池堆叠数量以及功率匹配问题。使用高比容量材料作为电极可以提高系统的整体能量密度，例如硅-NMC电池具有400 kW/kg的能量密度，而硅本身也是一种光伏材料。如果在集成系统中，硅既可以作为锂离子电池电极，又可以作为光伏电极，将是一种理想的设计。硅太阳能电池需要很高的结晶度，但嵌锂后会降低硅的结晶度，这需要找到一个优化的平衡点。锂金属电池的研究也为提高系统的整体能量密度提供了可能。此外，文献报道表明，光转换材料钙钛矿已被证明具有嵌入锂离子的能力，并且在钙钛矿中掺杂锂离子对其光伏性能有积极影响，这使得钙钛矿也有可能成为集成光伏电池系统中高容量的双功能材料，对于要求较高体积比能量的应用，将是比较合适的。
图6 近年来“太阳能电池-储能电池”集成系统的效率
理想化集成系统的整体效率是太阳能转化效率与储能系统效率的乘积，集成系统所能达到的最大效率受限于太阳能转化效率，在实际设计中，集成系统的效率还要考虑到各种损耗。硅太阳能电池和钙钛矿电池能提供更高效的光电转化，会在集成系统中提供更好的整体效率。如果要提高太阳能电池的效率，另一个需要考虑的因素是最大功率点跟踪(MPPT)，这使得太阳能电池可以提供最大的功率。在储能电池方面，需要选择最匹配的正负极材料以使库仑效率最大化。
5.3 稳定性
稳定性需要考虑光稳定性、电化学稳定性和环境稳定性，这需要谨慎选择电极材料。虽然人们在钙钛矿太阳能电池稳定性研究方面取得了可喜的进展，但仍处于初步研究阶段，如果选择钙钛矿作为集成系统的光伏部分，还需要在钙钛矿的研究上有更大的突破。液体电解液的使用也不利于系统的稳定性，可以选择使用固态电解质来提高整体系统的安全性和稳定性。因为太阳能电池部分会产生热量，所以在选择储能电池电极材料的同时也要考虑其耐高温性能。
6. 未来发展方向及展望
集成‘太阳能电池-储能电池’系统尚处于早期研究和开发阶段。迄今为止的文献报道都着重于创新材料开发的可行性和新的设备设计，未来的研究应朝这个方向继续发展。新颖的设计需要与高容量、高效率和更稳定的材料相结合。优化集成系统可以使用以下策略：如使用能量转化和储存双功能材料，使用大容量储能材料，最大功率点跟踪，集成锂离子电容器，使用固态电解质，提高电化学电极和电解质之间的兼容性等。集成系统可以利用仿真或建模的方法，以更好地预测系统性能，为集成系统提供更好的设计方案。除此之外，未来的努力应该向将‘太阳能电池-储能电池’集成系统与诸如传感器网络、可穿戴设备和电子设备等实际应用相结合。虽然目前‘太阳能电池-储能电池’集成系统的商业化还有很长的路要走，但其发展将大大受益于目前光伏和电池领域的飞速进展。其未来的发展方向也将从最初的针对低功耗、紧凑的应用，进而向大规模能源应用发展。
来源：材料牛
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