Joule最新综述（Perspective）：太阳能可充电电池：优势、挑战与机遇
【引言】
能源问题是当今世界永恒的话题，它促成了电子设备、新能源汽车以及智能电网的发展。太阳能作为一种清洁可持续发展能源可以弥补电池的不足，而电池又能弥补太阳能间歇性的问题。如何将太阳能电池和储能电池有机的结合起来？ 近日，来自美国南达科他州立大学的Qiquan Qiao（乔启全）教授（通讯作者）等人对设计“太阳能电池-储能电池”集成系统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”集成系统中三个重要的参数：能量密度、效率和稳定性分别进行一一解读。相关内容以“Solar Charging Batteries: Advances, Challenges, and Opportunities”为题，即将发表在2018年6月20日的Joule上。
1. 集成太阳能电池-储能电池的必要性
当今的大众消费者严重依赖能源技术及其发展。当前能源相关的三大关键技术为智能电子产品，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，需要使用有线连接频繁地对电子器件进行充电。太阳能或光伏为电池充电提供了可能的便利，因为在户外阳光下，太阳能的能量密度可达100 mW cm -2。目前另一个欣欣向荣的市场为电动汽车行业，虽然电动车不生产碳排放量，但是汽车所使用的电力大部分来自矿物燃料驱动的电网。除非车辆使用的电力来自可再生能源，否则电动汽车的可持续性意义不大。另外，充电站的分布也限制了其实际应用。像光伏发电这样的分布式发电是最合适电动汽车的充电方式。另一个前景应用是电网。可再生能源的应用正在稳步扩大，使用光伏能源的最大问题是夜间或阴天缺乏阳光，造成使用过程中的间歇性供电。这种间歇性会导致功率波动输出，这是电网应用的关键问题。因此，电力公司将光伏电力集成到电网中的功率进行限制。这样一来并未充分利用光伏发电的潜力。储能电池可以解决这些问题，电池白天可以充电，晚上可以放电，为实现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”系统的对比
使用太阳能电池给电池充电的传统方法是两个系统独立设计（图1A），其涉及的太阳能电池和储能电池作为两个独立单元的通过电线连接。这样的系统往往比较昂贵、笨重而且不灵活，还需要比较大空间，另外外部的电线会导致电能损失。
有机的将产能和储能合并为一个单元实现一体化设计将会有效的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，进而会减少成本，增加了光伏系统的实用性。尽管有很多优点，但是其在效率，容量和稳定性等方面还存在很大的挑战。目前在该方面的研究仍处于初级阶段，研究的重心主要集中在材料和装置的设计上。
集成光伏电池系统可以通过两种不同的配置来实现：三电极（图1B和1C）和双电极（图1D）。其中三电极设计中，一个电极被用作公用电极作为光伏器件和电池之间的阴极或阳极。在双电极配置中，正极和负极同时执行光转换功能和储能功能。
图1 传统的太阳能电池和储能电池独立设计（A），三电极设计（B和C）和两电极设计（D）
3. 二元分离式“太阳能电池—储能电池”的设计
本部分对前人分离式“太阳能电池—储能电池”设计的工作进行了总结，硅太阳能电池、钙钛矿太阳能电池以及染料敏化太阳能电池都能以不同的形式与锂离子电池相结合，其中图2A和B显示了四个串联的钙钛矿太阳能电池对锂离子电池充电，效率达到7.36%。本文通讯作者乔启全团队利用变压器和最大功率点跟踪实现了使用单节钙钛矿太阳能电池对锂离子电池充电，其效率达到了9.36%，该项研究成果发表在Advance Energy Materials上（图2C和D）。
图2 分离式光伏电池系统
（A，B）利用四块钙钛矿太阳能电池为Li4Ti5O12/LiFePO4锂离子电池充电
（C，D）利用单节钙钛矿太阳能电池在直流-直流转换器的帮助下为Li4Ti5O12/LiCoO2锂离子电池充电
4. 一元集成式“太阳能电池—储能电池”的设计
大多数关于一元集成式“太阳能电池—储能电池”的设计工作集中于将太阳能电池和电容式储能相结合而不是与电池。集成系统可分为三种类型的设计：（1）直接集成，（2）光辅助集成 和（3）氧化还原液流电池集成。 直接集成包括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为电池充电只提供一部分的能量。 氧化还原液流集成涉及使用具有太阳能充电的氧化还原液流电池。 文章分别对这三种形式前人的工作进行了详细的概括总结，图3、4和5 分别为它们的典型代表。
图3 直接集成
硅太阳能电池充Li4Ti5O12 / LiCoO2 锂离子电池的三电极的（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其能量密度常采用卷绕式的封装方式，而对于“太阳能电池-储能电池”集成系统是不可行的。 因为锂离子电池的封装方式影响了接受太阳能的面积。太阳能电池的数量及功率需要与储能部分相互匹配可以解决可用的PV表面积，可能的堆叠电池数量以及功率匹配需要。使用高比容量的材料做电极可以提高系统的整体能量密度，比如硅-NMC电池具有400 kW/kg 的能量密度，而且硅又是一种光伏材料，如果在集成系统里硅既可以做锂离子电极又可以做光伏电极，将是一个理想的设计。硅太阳能电池需要很高的结晶度，而嵌锂后会使硅的结晶度下降，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，据文献报道光转换材料钙钛矿已被证明具有嵌入锂离子的能力，而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。
5.2 整体效率
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，在现实中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。如果要使太阳能电池提供更大的效率，另一个需要考虑的因素是最大功率追踪（MPPT），这使得太阳能电池可以提供最大的功率。储能电池方面，需要选择最匹配的正负极以使库伦效率最大化。
5.3 稳定性
稳定性需要考虑光稳定性、电化学稳定性以及环境稳定性，这需要谨慎的选择电极材料。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，但是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才行。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。新颖的设计需要和高容量，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，如使用能量转化以及储存双功能材料，使用大容量储能材料，最大功率跟踪，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，以更好地预测系统表现，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。
文献链接：Solar Charging Batteries: Advances, Challenges, and Opportunities ( Joule, 2018, DOI: 10.1016/j.joule.2018.04.006 )
本文由乔启全课题组提供，材料牛编辑整理。
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