Carbon Energy:光充电的二次电池和超级电容器:兼论碳基功能材料在其中的重要应用

研究背景:

作为一种清洁、可持续的替代能源,太阳能有望在人类未来的能源版图中发挥不可或缺的作用。然而,由于太阳能本身严重的间断性和不稳定性,造成了以此产生的电力很难和人们的实际需求相匹配。而发展高性能的光伏/储能一体化器件就能够很好地解决上述问题。在这类能源系统中,太阳能电池负责吸收入射光,并将其转化为光电流(即电能)。而电化学存储模块(即二次电池或超级电容器)则以电化学能的形式将电能存储起来,并在后续的放电过程中将电化学能再次转化为电能,为其他用电器提供电力。从而有效地实现了太阳能的吸收-存储-释放-利用,为克服太阳能的缺点,实现其大规模应用提供了一条切实可行的途径。除此之外,光伏/储能一体化器件的小型化发展还将在可穿戴智能电子设备、“物联网”等领域发挥重要作用。

论文概要:

近期,天津师范大学的王立群博士,联合天津大学梁骥讲授、中科院金属研究所闻雷副研究员对光伏/储能一体化器件进行了系统总结。该文中,作者在对相关背景、基本原理进行充分阐述的基础上,对光充电的二次电池和超级电容器进行了系统的分类和深入的介绍,并重点讨论了其中的关键材料性问题,特别强调了碳基功能材料在这类先进器件中的重要作用。最后,作者结合自身研究工作对该领域的发展趋势进行了展望,并对现存问题提出了一些可行的解决方法。该工作得到了澳大利亚卧龙岗大学窦士学院士的大力指导。

该论文发表于 Carbon Energy。

论文内容:

按照光电转化方式的不同,光充电的二次电池和超级电容器可以分为光伏集成器件(Photovoltaic integrated devices)和光电化学集成器件(Photoelectrochemical integrated devices)两大类。在前者中,光电转化单元为硅基太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等光伏器件(光电转化过程不涉及氧化还原反应)。而在后者中,染料敏化太阳电池、半导体光电极等常被用作光电转化单元(光电转化过程涉及一些氧化还原反应)。本论文详细介绍了这两大类光伏/储能一体化器件的最新进展,重点讨论了涉及其中的关键材料性问题,如:碳功能材料的应用。此外,作者还结合自身研究工作就该领域所面临的挑战进行了深入的探讨,并对其未来发展提出了一些可行的解决方案,如1所示。

图1 光伏/储能一体化器件的关键问题和发展趋势

综上所述,本工作通过对光伏/储能一体化器件的最新进展进行了系统总结,有效加深了人们对该领域的认识,为开发具有高性能的光充电二次电池和超级电容器提供了有效的选材设计手段和理论指导。

作者简介

王立群(第一作者、通讯作者),天津师范大学物理与材料科学学院讲师,主要从事用于能源转化和存储的先进材料和器件的制备、性能以及机理研究。

梁骥(通讯作者),天津大学材料科学与工程学院教授、博士生导师,主要从事纳米储能材料与器件的基础及应用研究,所开发的材料用于新型非贵金属催化、锂硫电池、锂离子电池等领域。过去五年,其学术成果累计引用5200余次。

闻雷(第二作者),中国科学院金属研究所先进炭材料研究部副研究员,主要从事锂离子二次电池和新型储能材料与器件的制备、性能及机理研究。

论文信息:

Photo-rechargeable batteries and supercapacitors: Critical roles of carbon-based functional materials

Liqun Wang, Lei Wen, Yueyu Tong, Sihui Wang, Xinggang Hou, Xiaodong An, Shi Xue Dou, Ji Liang

Carbon Energy

DOI: 10.1002/cey2.105