Joule最新綜述（Perspective）：太陽能可充電電池：優勢、挑戰與機遇
【引言】
能源問題是當今世界永恒的話題，它促成了電子設備、新能源汽車以及智能電網的發展。太陽能作為一種清潔可持續發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合起來？ 近日，來自美國南達科他州立大學的Qiquan Qiao（喬啟全）教授（通訊作者）等人對設計“太陽能電池-儲能電池”集成系統中遇到的問題進行了總結、討論和展望。其中對“太陽能電池-儲能電池”集成系統中三個重要的參數：能量密度、效率和穩定性分別進行一一解讀。相關內容以“Solar Charging Batteries: Advances, Challenges, and Opportunities”為題，即將發表在2018年6月20日的Joule上。
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及其發展。當前能源相關的三大關鍵技術為智能電子產品，電動汽車和智能電網。智能電子產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，雖然電動車不生產碳排放量，但是汽車所使用的電力大部分來自礦物燃料驅動的電網。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性意義不大。另外，充電站的分布也限制了其實際應用。像光伏發電這樣的分布式發電是最合適電動汽車的充電方式。另一個前景應用是電網。可再生能源的應用正在穩步擴大，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。這種間歇性會導致功率波動輸出，這是電網應用的關鍵問題。因此，電力公司將光伏電力集成到電網中的功率進行限制。這樣一來并未充分利用光伏發電的潛力。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，為實現光伏發電接入電網提供了可能性。
2. 傳統和先進“太陽能電池-儲能電池”系統的對比
使用太陽能電池給電池充電的傳統方法是兩個系統獨立設計（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致電能損失。
有機的將產能和儲能合并為一個單元實現一體化設計將會有效的解決太陽能電池和電池的能量密度問題。這種設計具有小型化的特點，進而會減少成本，增加了光伏系統的實用性。盡管有很多優點，但是其在效率，容量和穩定性等方面還存在很大的挑戰。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計上。
集成光伏電池系統可以通過兩種不同的配置來實現：三電極（圖1B和1C）和雙電極（圖1D）。其中三電極設計中，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，正極和負極同時執行光轉換功能和儲能功能。
圖1 ?傳統的太陽能電池和儲能電池獨立設計（A），三電極設計（B和C）和兩電極設計（D）
3. 二元分離式“太陽能電池—儲能電池”的設計
本部分對前人分離式“太陽能電池—儲能電池”設計的工作進行了總結，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合，其中圖2A和B顯示了四個串聯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了使用單節鈣鈦礦太陽能電池對鋰離子電池充電，其效率達到了9.36%，該項研究成果發表在Advance Energy Materials上（圖2C和D）。
圖2 分離式光伏電池系統
（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）利用單節鈣鈦礦太陽能電池在直流-直流轉換器的幫助下為Li4Ti5O12/LiCoO2鋰離子電池充電
4. 一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設計
大多數關于一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設計工作集中于將太陽能電池和電容式儲能相結合而不是與電池。集成系統可分為三種類型的設計：（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，圖3、4和5 分別為它們的典型代表。
圖3 直接集成
硅太陽能電池充Li4Ti5O12 / LiCoO2 鋰離子電池的三電極的（A）設計示意圖和（B）光電充電/恒流放電循環性能。混合染料及磷酸鐵鋰為正極、鋰金屬為負極的雙電極設計的（C）示意圖及充電過程和 （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 太陽能與液流電池的集成。
基于Li2WO4 / LiI雙相電解液的太陽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 技術上的挑戰和機遇
5.1 能量密度
傳統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，而對于“太陽能電池-儲能電池”集成系統是不可行的。 因為鋰離子電池的封裝方式影響了接受太陽能的面積。太陽能電池的數量及功率需要與儲能部分相互匹配可以解決可用的PV表面積，可能的堆疊電池數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，如果在集成系統里硅既可以做鋰離子電極又可以做光伏電極，將是一個理想的設計。硅太陽能電池需要很高的結晶度，而嵌鋰后會使硅的結晶度下降，這需要找到一個優化的平衡點。鋰金屬電池的研究也為提高系統的整體能量密度提供了可能。此外，據文獻報道光轉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高容量的雙功能材料。對于要求較高體積比能量的應用，將是比較合適的。
5.2?整體效率
圖6 近年來“太陽能電池-儲能電池”集成系統的效率
理想化集成系統的整體效率是太陽能轉化效率與儲能系統的乘積，集成系統所能達到的最大效率受限于太陽能轉化效率，在現實中設計中集成系統的效率還要考慮到各種損耗。硅太陽能電池和鈣鈦礦電池能提供更高效的光電轉化，會在集成系統中提供更好的整體效率。如果要使太陽能電池提供更大的效率，另一個需要考慮的因素是最大功率追蹤（MPPT），這使得太陽能電池可以提供最大的功率。儲能電池方面，需要選擇最匹配的正負極以使庫倫效率最大化。
5.3 穩定性
穩定性需要考慮光穩定性、電化學穩定性以及環境穩定性，這需要謹慎的選擇電極材料。雖然人們在鈣鈦礦太陽能電池穩定性研究方面取得了可喜的進展，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的穩定性，可以選擇使用固態電解質來提高整體系統的安全性和穩定性。因為太陽能電池部分會產生熱量，所以在選擇儲能電池電極材料的同時也要考慮其耐高溫性能。
6 未來發展方向及展望
集成“太陽能電池-儲能電池”系統尚處于早期研究和開發階段。迄今為止的文獻報道都著重于創新材料開發的可行性和新的設備設計，未來的研究應朝這個方向繼續發展。新穎的設計需要和高容量，高效率和更穩定的材料相結合。優化集成系統可以使用以下策略，如使用能量轉化以及儲存雙功能材料，使用大容量儲能材料，最大功率跟蹤，集成鋰離子電容器，使用固態電解質，提高電化學電極和電解質之間的兼容性等。集成系統可以利用仿真或建模的方法，以更好地預測系統表現，為集成系統提供更好的設計方案。除此之外，未來的努力應該向將“太陽能電池-儲能電池”集成系統與諸如傳感器網絡，可穿戴設備和電子設備等實際應用相結合。雖然目前“太陽能電池-儲能電池”集成系統的商業化還有很長的路要走，但其發展將大大受益于目前光伏和電池領域的飛速進展。其未來的發展方向也將從最初的針對低功耗、緊湊的應用，進而向大規模能源應用發展。
文獻鏈接：Solar Charging Batteries: Advances, Challenges, and Opportunities ( Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.04.006 )
本文由喬啟全課題組提供，材料牛編輯整理。
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