新型低成本、高性能的光辅助可充电水系钠离子电池研究进展

太阳能的高效存储与利用是缓解当前全球所面临的能源危机和环境污染问题的有效途径之一。目前太阳能主要利用形式是通过光伏发电转化为电能,但光伏电池仅能实现太阳能转化为电能,不能实现电能的存储。开发一种新型太阳能可充电电池,不仅实现太阳能至电能的直接转化和存储,同时可解决便携电子产品或电动汽车充电时对电网的依赖,因此具有重大意义。但目前光充电的能量存储设备成本较高且光电转化和存储的效率较低。开发低成本、高性能及环境友好的光电转化存储设备仍然存在巨大的挑战。

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近日,日本国立产业技术综合研究所(AIST)首席研究员、筑波大学和南京大学兼职教授周豪慎,AIST博士后李娜和筑波大学博士研究生李琪等,首次将二氧化钛(TiO2)光电极嵌入到新型钠离子电池的正极,实现了太阳能的高效转化和存储。该光辅助可充电钠离子电池利用水系的Na2S4 阳极电解液和NaI阴极电解液分别作为电池的负极及正极的活性物质,并且将TiO2光电极嵌入正极电解液中作为太阳能转化及存储基元。当电池在模拟太阳光照下充电时,TiO2光电极受光激发产生电子和空穴。跃迁到导带的电子通过外电路传到电池的负极可使Na2S4还原为Na2S,同时留在价带的空穴氧化NaI为NaI3。而该电池的放电过程与传统钠离子电池的相似,在电池的负极和正极可分别通过Na2S/Na2S4氧化及NaI3/NaI还原转化达到化学能到电能的转变。由于光电势的补偿,电池的充电电位平台降为0.08 V。超低的充电电势平台明显低于放电电势平台,致使电池的能量转换效率高达190%,相当于节省了近90%的输入电能。该项研究成果为开发低成本、高安全性能光电转化存储设备提供了新的思路,同时推动了光充电电池的实际应用。相关结果已在线发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600632)。

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