4.9 电源和能量储存技术

4.2.2 锂离子电池
• 锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子
在正极和负极之间移动来工作。
• 一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是
现代高性能电池的代表。
锂离子电池
原理结构
4.2.2 锂离子电池
1. 锂系电池概述
• 锂系电池分为锂电池和锂离子电池。目前手机和 笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗 称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险百度文库大， 很少应用于日常电子产品。 • 锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放 电小，每月在2%以下。没有记忆效应。循环性能 优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且 输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质， 被称为绿色电池。
• 生物质能是植物通过光合作用生成的有机物，包括
植物、动物排泄物，垃圾及有机废水等，是生物质
能的载体，是唯一的可储存和可运输的可再生能源。 • 生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能 源，在整个能源系统占有重要地位 • 采用新技术生产的各种生物质替代燃料，主要用于 生活、供热和发电等方面。
4.1.4 压电技术
一、 能源采集转换技术
从广义上讲，采集能源包括各种来源，比如:
• 动能（风、波、重力、振动等） • 电磁能（光伏、电磁波） • 热能（太阳热能、地热、温度变化、燃烧等） • 原子能（原子核能、放射性衰变等） • 生物能（生物燃料、生物质能等）
4.1.1 能源采集
（1）从体热采集能量：
• 典型的能源采集系统包括众多组件，如转换、薄膜 电池中的暂存器、大量复杂的能源管理电路、模拟 转换器以及超低功耗微处理器 (MCU)。 （2）太阳能光伏收集：
• • • （1）效率低 （2）稳定性差 （3）相同的输出电量所需太阳能电池面积增加
4.2.1 薄膜电池
（4）发展趋势
• 近年来,业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池 在技术上已有足够的把握。 • 日本产业技术综合研究所于去年2月已经研制 出目前世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太 阳能电池，其转换率已达到现有有机薄膜太阳 能电池的4倍。
（2）以色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大
量的压电晶体，通过汽车驶过时的压电转换来发电。据测 算，1公里的路面能产生约100～400千瓦的电力。
4.1.4 压电技术
• 此外，为了提高能量获得效率，研发人员一般
在设计时将压电、热电、光伏等多种能量同时 收集利用。
• 发电行囊：如美国军方正在开发一种士兵边行
电源和能量储存技术
• 未来的物联网要想成功的实现让真正的嵌入式、
数字化物品参与其中，就必须在微型高容量能量
存储技术上取得突破。
• 而从实现方式上，一种解决方案就是跳过存储能
量的诸多问题，直接从环境中汲取能源，从而使 物品的电池可以更加小巧，并且有能力进行自动 的充电行为。
电源和能量储存技术
• 在能源技术领域的道路还很漫长。不过，今天 的工作正为我们明确前进的方向： • 首先，能量采集技术应该不仅仅局限在原有的 能量源上，像震动、太阳辐射、热能等等，都 应该成为我们接下来尝试的方向。 • 其次，微型发电技术将成为我们下一个新兴的 能源技术领域，将为下一代物联网设备提供全 新的发展机遇。
• 从而将如人体走路的踩踏、机械振动，甚至噪
音等形式的振动能量收集起来，经过能量转换-整流--存储--供电等诸多环节，应用于生活。
• 这种能量收集系统帮助我们利用曾被白白耗费
的能源。
4.1.4 压电技术
• 我们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷 • 根据压电谐振效应可以制作出石英谐振器，这 种谐振器因具有极高的品质因数和极高的稳定 性。
/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。
4.2.2 锂离子电池
3. 锂离子电池的主要优点： 1）电压高 2） 比能量大
3）循环寿命长
4）安全性能好： 无公害，无记忆效应
5）自放电小
6) 可快速充放电 7) 工作温度范围高
4.2.2 锂离子电池
4. 新发展
① 聚合物锂离子电池
• 聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上 发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负 极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成， 并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子 电池。 • 由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂 离子电池的更新换代产品。
• 使用赛贝克 (Seebeck) 效应，即在两个金属或半导 体之间存在温差的情况下而产生电压。 • 热电发电机 (TEG) 由热并联与电串联的热电堆构成。
4.1.2 光伏技术
• 太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着将太阳
光直接转换成电能，它必须借助于能量转换器才 能转换成为电能。
• 将光能直接转换成电能的过程确切地说应叫光伏
• 采用大型太阳能电池板进行。
• 每 100 平方毫米光伏电池可产生大约 1 MW 电能。 能源效率约为 10%，容量比约为 15% ～ 20%。
4.1.1 能源采集
（3）动能收集系统：
• 可产生毫瓦级的电能。 • 基本动能收集技术包括：① 一个弹簧上的物体；② 将线性运动转换为旋转运动的设备；③ 压电电池。 （4）热电收集技术：
4.1.5 能量转换装置
• 所有这些形式的重要意义在于其能量是相等的， 也就是说一种形式的能量可以转变成另一种形 式。 • 宇宙中发生的绝大部分事件，例如，恒星的崩 溃和爆炸、生物的生长和毁灭、机器和计算机 的操作中都包括能量由一种形式转化为另一种 形式。
4.1.5 能量转换装置 ① 电能转化热能
4.2.2 锂离子电池
② 动力锂离子电池
• 动力锂离子电池指容量在3AH以上的锂离子电池。
• 根据内部材料的不同，相应地分为液态动力锂离子 电池和聚合物理离子动力电池两种。 • 动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。 （1）高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、 矿灯、医疗器械等； （2）高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要 大电流充放电的场合。
4.2.3 印刷电池
4.2.4 光电池
4.2.1 薄膜电池
• 薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳
能电池，其用硅量极少，更容易降低成本，目 前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主 要有3种：
• 硅基薄膜太阳能电池 • 铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS） • 碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）
4.2.1 薄膜电池
• 一般通过热电阻或热辐射，例如家用的电热炉，
是在热阻丝内通过大量电流使热阻丝产生大量热
能，通过热辐射传导给周围环境。 • 也可以通过微波装置，使电能转化成微波，通过 直接的热辐射转为热能
4.1.5 能量转换装置
② 热能转化电能
• 至今为止，人们还没想出很有效率的方法可以 让热能直接转化为电能，似乎人们只发明了电 能和机械能转化的装置，所以，如果想任何形 式能量转换为电能，必须先转换为机械能。
4.2.2 锂离子电池
2. 作用机理 • 锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物 作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，锂离子 电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的 总称。
• 锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和
脱嵌过程。
4.2.2 锂离子电池
• 在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离 子等量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱 嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。 • 在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入
效应。
• 不需要借助其它任何机械部件，光线中的能量被
半导体器件的电子获得，于是就产生了电能。这 种把光能转换成为电能的能量转换器，就是太阳 能电池。
4.1.2 光伏技术
• 太阳能电池的主要材料是高纯硅，是经过特殊的提
纯处理制作。
• 太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，能够把光
能转变为电能，使电流从一方流向另一方，一般就 可发出相当于所接收光能>10~20% 的电来。
4.1.5 能量转换装置 ③ 机械能转化电能
• 通过切割电磁圈的磁感线，可以使机械能转化 为电能。在电机中，机械能和电能可以互逆转 换。
④电能转化机械能
• 借助电磁感应效应，人们设计了电机，可以使 电能轻松转化为机械能。在电机中，电能和机
械能可以互逆转换。
4.1.5 能量转换装置 ⑤光能转化电能
军边发电的装置。士兵们可对所携带的电子设
备进行自助供电，从而不必携带重达10公斤的
储能电池，大幅度减少行军负重。
4.1.5 能量转换装置
• 能量即不能产生也不能消失，能量转换是指从一
种形式转化为另一种形式或是从一个物体转移到 另一个物体。
• 不论什么时候，一个地方或一种形式的能量减少
了，另一个地方或另一种形式就会增加同样数量 的能量。
• 可以通过光电效应使光照射在金属表面而辐射 出电子，通过这种方法，人们设计了太阳能板， 太阳能板是通过阳光照射硅晶体的PN结产生 空穴电压产生电能的，光能就是最受关注的清 洁能源之一。
⑥ 光能转化热能
• 光能在照射到物体时，自然就会伴随热能的传 导，但不同波段的光波导热能力不同。
4.1.5 能量转换装置 ⑦化学能转化电能
第四章 物联网关键技术
——电源和能量储存技术
学习任务
① 感知技术
② 标识技术 ③ 通信技术
④ 网络技术
⑤ 网络定位技术
⑥ 应用服务技术
⑦ 安全与隐私技术 ⑧ 硬件技术 Click to add title in here ⑨ 电源和能量存储技术
学习任务
本节主要涉及：
1 2 3
能源采集转换技术 能量储存（电池）技术
• 通过化学反应使得正电子和负电子分别在阳极
和阴极汇聚，其实这也是电池的充电过程。
⑧化学能转化热能
• 可以通过核裂变使得熵值大量增加，进而产生 大量热能传导出去。在核裂变过程中，不仅产 生大量热能，还产生大量光能及机械能等。
• 还有一种方法就是通过可燃物的燃烧，伴随着 光能的同时也产生大量热能。
4.1.5 能量转换装置 ⑨热能转化机械能
无线供电技术
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电源和能量储存技术
• 在物联网的能源技术研究内容中：首当其冲的是能
量存储技术。
• 从现在的情况看，能量存储已经成为电子设备小型
化以及精巧化过程中最受重视的技术障碍之一。
• 当今的嵌入式无线技术，例如无线传感器网络以及
主动式RFID标签，都在忍受着笨重的大容量电池 组所带来的负担，并且在容忍着短暂生命周期内频 繁充电或者频繁更换电池所带来的种种尴尬。
说到压电发电技术，我们先要回溯到1880年。 当年居里兄弟在石英晶体中发现：
• 晶体受到机械应力的作用时，其表面会产生电荷； • 反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变。 • 前者被命名为正压电效应，后者则被称之为逆压电
效应。
4.1.4 压电技术
• 压电发电正是这样一种技术——利用压电材料
的正压电效应将机械振动能转变为电能
• 已经被应用于对讲机，电子手表、电视机、电 子仪器等产品中作压控振荡器使用。
• 用石英谐振器来控制振荡频率的振荡器称为晶 体振荡器，它的频率稳定度可达到10 数量级。
4.1.4 压电技术
• 2010 年上海世博会上，日本馆展示了压电发电
地板，参观者轻轻几步就可将电灯点亮.
• 发电公路：
（1）日本的NEC等公司联合开发了新型发光道路标识， 在公路下埋有压电发电装置，使其驱动 LED 发光指示牌， 基本达到可自供电的实用水平。
• 至今人们想到的最好方法，只有通过加热水进而
通过水蒸气驱动机械做功，自从瓦特发明蒸汽机
以来，人们一直沿用这个方法进行转换。
⑩机械能转化热能
• 机械做功摩擦可以产生热能，但一般效率不高， 而且在实际应用中无法通过这样的转化大量提供 热能，只作为机械能的能量损耗而已。
二、能量储存（电池）技术
4.2.1 薄膜电池 4.2.2 锂离子电池
• 一般光线越强，产生的电能就越多。为了使太阳能
电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能， 一般在它的上面都蒙上一层防止光反射的膜，使太 阳能板的表面呈紫色。
4.1.3 生物发电
• 生物发电就是人类利用能够产生强生物电的生
物，并收集、转化利用其产生的生物电的一种 发电方式。
生物发电原理
4.1.3 生物发电
（1）薄膜电池发电原理
• 薄膜电池发电原理与晶硅相似，当太阳光照射 到电池上时，电池吸收光能产生“光生电子— 空穴对” • 在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被 分离，空穴漂移到P 侧，电子漂移到N 侧，形 成光生电动势，外电路接通时，产生电流。
4.2.1 薄膜电池
（2） 薄膜电池的优点
• （1）成本低 • （2）弱光性好 • （3）适合与建筑结合的光伏发电组件(BIPV) （3）薄膜电池的缺点