能源問(wèn)題是當(dāng)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(yáng)能作為一種清潔可持續(xù)發(fā)展能源可以彌補(bǔ)電池的不足，而電池又能彌補(bǔ)太陽(yáng)能間歇性的問(wèn)題。如何將太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池有機(jī)的結(jié)合起來(lái)？近日，來(lái)自美國(guó)南達(dá)科他州立大學(xué)的Qiquan Qiao（喬啟全）教授（通訊作者）等人對(duì)設(shè)計(jì)“太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池”集成系統(tǒng)中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)、討論和展望。其中對(duì)“太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池”集成系統(tǒng)中三個(gè)重要的參數(shù)：能量密度、效率和穩(wěn)定性分別進(jìn)行一一解讀。
1．集成太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池的必要性
當(dāng)今的大眾消費(fèi)者嚴(yán)重依賴能源技術(shù)及其發(fā)展。當(dāng)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(dòng)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(duì)電子器件進(jìn)行充電。太陽(yáng)能或光伏為電池充電提供了可能的便利，因?yàn)樵趹敉怅?yáng)光下，太陽(yáng)能的能量密度可達(dá)100 mW cm －2。目前另一個(gè)欣欣向榮的市場(chǎng)為電動(dòng)汽車行業(yè)，雖然電動(dòng)車不生產(chǎn)碳排放量，但是汽車所使用的電力大部分來(lái)自礦物燃料驅(qū)動(dòng)的電網(wǎng)。除非車輛使用的電力來(lái)自可再生能源，否則電動(dòng)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(shí)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(dòng)汽車的充電方式。另一個(gè)前景應(yīng)用是電網(wǎng)?？稍偕茉吹膽?yīng)用正在穩(wěn)步擴(kuò)大，使用光伏能源的最大問(wèn)題是夜間或陰天缺乏陽(yáng)光，造成使用過(guò)程中的間歇性供電。這種間歇性會(huì)導(dǎo)致功率波動(dòng)輸出，這是電網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，電力公司將光伏電力集成到電網(wǎng)中的功率進(jìn)行限制。這樣一來(lái)并未充分利用光伏發(fā)電的潛力。儲(chǔ)能電池可以解決這些問(wèn)題，電池白天可以充電，晚上可以放電，為實(shí)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(jìn)“太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池”系統(tǒng)的對(duì)比
使用太陽(yáng)能電池給電池充電的傳統(tǒng)方法是兩個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)計(jì)（圖1A），其涉及的太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池作為兩個(gè)獨(dú)立單元的通過(guò)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(huì)導(dǎo)致電能損失。
有機(jī)的將產(chǎn)能和儲(chǔ)能合并為一個(gè)單元實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)將會(huì)有效的解決太陽(yáng)能電池和電池的能量密度問(wèn)題。這種設(shè)計(jì)具有小型化的特點(diǎn)，進(jìn)而會(huì)減少成本，增加了光伏系統(tǒng)的實(shí)用性。盡管有很多優(yōu)點(diǎn)，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(jí)階段，研究的重心主要集中在材料和裝置的設(shè)計(jì)上。
集成光伏電池系統(tǒng)可以通過(guò)兩種不同的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)：三電極（圖1B和1C）和雙電極（圖1D）。其中三電極設(shè)計(jì)中，一個(gè)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(yáng)極。在雙電極配置中，正極和負(fù)極同時(shí)執(zhí)行光轉(zhuǎn)換功能和儲(chǔ)能功。
圖1 傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能電池獨(dú)立設(shè)計(jì)（A），三電極設(shè)計(jì)（B和C）和兩電極設(shè)計(jì)（D）
3．二元分離式“太陽(yáng)能電池—儲(chǔ)能電池”的設(shè)計(jì)
本部分對(duì)前人分離式“太陽(yáng)能電池—儲(chǔ)能電池”設(shè)計(jì)的工作進(jìn)行了總結(jié)，硅太陽(yáng)能電池、鈣鈦礦太陽(yáng)能電池以及染料敏化太陽(yáng)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(gè)串聯(lián)的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對(duì)鋰離子電池充電，效率達(dá)到7．36％。本文通訊作者喬啟全團(tuán)隊(duì)利用變壓器和最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現(xiàn)了使用單節(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池對(duì)鋰離子電池充電，其效率達(dá)到了9．36％，該項(xiàng)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(yáng)能電池為L(zhǎng)i4Ti5O12／LiFePO4鋰離子電池充電
（C，D）利用單節(jié)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在直流－直流轉(zhuǎn)換器的幫助下為L(zhǎng)i4Ti5O12／LiCoO2鋰離子電池充電
4．一元集成式“太陽(yáng)能電池—儲(chǔ)能電池”的設(shè)計(jì)
大多數(shù)關(guān)于一元集成式“太陽(yáng)能電池—儲(chǔ)能電池”的設(shè)計(jì)工作集中于將太陽(yáng)能電池和電容式儲(chǔ)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(jì)：（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(yáng)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(yáng)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(yáng)能充電的氧化還原液流電池。 文章分別對(duì)這三種形式前人的工作進(jìn)行了詳細(xì)的概括總結(jié)，圖3、4和5 分別為它們的典型代表。
圖3 直接集成
硅太陽(yáng)能電池充Li4Ti5O12 ／ LiCoO2 鋰離子電池的三電極的（A）設(shè)計(jì)示意圖和（B）光電充電／恒流放電循環(huán)性能。混合染料及磷酸鐵鋰為正極、鋰金屬為負(fù)極的雙電極設(shè)計(jì)的（C）示意圖及充電過(guò)程和 （D）充／放電電壓曲線。
圖4 光輔助充電集成
染料敏化的TiO2光電極與鋰氧電池的氧電極集成的（A）示意圖和（B）充電曲線。染料敏化太陽(yáng)能電池與Li ／ LiFePO4鋰離子電池集成（C）示意圖和 （D）光輔助充電曲線。
圖5 太陽(yáng)能與液流電池的集成
基于Li2WO4 ／ LiI雙相電解液的太陽(yáng)能可充電氧化還原液流電池（A）示意圖和（B）光電充電、恒電流放電電壓曲線。雙硅光電化學(xué)電池和醌／溴氧化還原液流電池的集成的（C）示意圖，（D）恒流放電曲線和 （E）整體效率。
5.技術(shù)上的挑戰(zhàn)和機(jī)遇
5．1 能量密度
傳統(tǒng)的鋰離子電池為了提高其能量密度常采用卷繞式的封裝方式，而對(duì)于“太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池”集成系統(tǒng)是不可行的。 因?yàn)殇囯x子電池的封裝方式影響了接受太陽(yáng)能的面積。太陽(yáng)能電池的數(shù)量及功率需要與儲(chǔ)能部分相互匹配可以解決可用的PV表面積，可能的堆疊電池?cái)?shù)量以及功率匹配需要。使用高比容量的材料做電極可以提高系統(tǒng)的整體能量密度，比如硅－NMC電池具有400 kW／kg 的能量密度，而且硅又是一種光伏材料，如果在集成系統(tǒng)里硅既可以做鋰離子電極又可以做光伏電極，將是一個(gè)理想的設(shè)計(jì)。硅太陽(yáng)能電池需要很高的結(jié)晶度，而嵌鋰后會(huì)使硅的結(jié)晶度下降，這需要找到一個(gè)優(yōu)化的平衡點(diǎn)。鋰金屬電池的研究也為提高系統(tǒng)的整體能量密度提供了可能。此外，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道光轉(zhuǎn)換材料鈣鈦礦已被證明具有嵌入鋰離子的能力，而且在鈣鈦礦中摻雜鋰離子對(duì)其光伏性能有積極影響，這使得鈣鈦礦也有可能成為集成光伏電池系統(tǒng)高容量的雙功能材料。對(duì)于要求較高體積比能量的應(yīng)用，將是比較合適的。
5．2 整體效率
圖6 近年來(lái)“太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池”集成系統(tǒng)的效率
理想化集成系統(tǒng)的整體效率是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率與儲(chǔ)能系統(tǒng)的乘積，集成系統(tǒng)所能達(dá)到的最大效率受限于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，在現(xiàn)實(shí)中設(shè)計(jì)中集成系統(tǒng)的效率還要考慮到各種損耗。硅太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦電池能提供更高效的光電轉(zhuǎn)化，會(huì)在集成系統(tǒng)中提供更好的整體效率。如果要使太陽(yáng)能電池提供更大的效率，另一個(gè)需要考慮的因素是最大功率追蹤（MPPT），這使得太陽(yáng)能電池可以提供最大的功率。儲(chǔ)能電池方面，需要選擇最匹配的正負(fù)極以使庫(kù)倫效率最大化。
5．3 穩(wěn)定性
穩(wěn)定性需要考慮光穩(wěn)定性、電化學(xué)穩(wěn)定性以及環(huán)境穩(wěn)定性，這需要謹(jǐn)慎的選擇電極材料。雖然人們?cè)阝}鈦礦太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性研究方面取得了可喜的進(jìn)展，但是仍處于初步研究階段，如果選擇鈣鈦礦作為集成系統(tǒng)的光伏部分，還需要在鈣鈦礦的研究上有更大的突破才行。液體電解液的使用也不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以選擇使用固態(tài)電解質(zhì)來(lái)提高整體系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。因?yàn)樘?yáng)能電池部分會(huì)產(chǎn)生熱量，所以在選擇儲(chǔ)能電池電極材料的同時(shí)也要考慮其耐高溫性能。
6．未來(lái)發(fā)展方向及展望
集成“太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池”系統(tǒng)尚處于早期研究和開發(fā)階段。迄今為止的文獻(xiàn)報(bào)道都著重于創(chuàng)新材料開發(fā)的可行性和新的設(shè)備設(shè)計(jì)，未來(lái)的研究應(yīng)朝這個(gè)方向繼續(xù)發(fā)展。新穎的設(shè)計(jì)需要和高容量，高效率和更穩(wěn)定的材料相結(jié)合。優(yōu)化集成系統(tǒng)可以使用以下策略，如使用能量轉(zhuǎn)化以及儲(chǔ)存雙功能材料，使用大容量?jī)?chǔ)能材料，最大功率跟蹤，集成鋰離子電容器，使用固態(tài)電解質(zhì)，提高電化學(xué)電極和電解質(zhì)之間的兼容性等。集成系統(tǒng)可以利用仿真或建模的方法，以更好地預(yù)測(cè)系統(tǒng)表現(xiàn)，為集成系統(tǒng)提供更好的設(shè)計(jì)方案。除此之外，未來(lái)的努力應(yīng)該向?qū)?ldquo;太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池”集成系統(tǒng)與諸如傳感器網(wǎng)絡(luò)，可穿戴設(shè)備和電子設(shè)備等實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合。雖然目前“太陽(yáng)能電池－儲(chǔ)能電池”集成系統(tǒng)的商業(yè)化還有很長(zhǎng)的路要走，但其發(fā)展將大大受益于目前光伏和電池領(lǐng)域的飛速進(jìn)展。其未來(lái)的發(fā)展方向也將從最初的針對(duì)低功耗、緊湊的應(yīng)用，進(jìn)而向大規(guī)模能源應(yīng)用發(fā)展。
