Small:全新一代太阳能金属空气电池(SMAB)实现太阳能一体化转化与存储

研究背景

利用光伏系统直接从太阳能中获取能量是解决日益增长的全球能源需求的最终解决方案。太阳能电池和金属空气电池是两类比较有代表性的清洁能源设备。从本质上讲,传统太阳能电池是即时的光电转换装置,所产生的电能需要立即消耗或储存在外部电池中供以后使用。利用光辅助技术可以实现金属-空气电池中长期电储存,改善反应动力学,降低其过电位。然而,光辅助基础空气电池的充电在很大程度上仍然需要外部电力,太阳能收集和电能释放也是两个独立的系统。因此,将这两个有前途的能源系统集成到一个设备中将具有重大价值。

成果简介

近日,辽宁大学宋溪明、张宇团队将具有光腐蚀和自氧化性的BiOCl作为光阳极,BiOCl(Bi3+)和Bi0之间的循环光腐蚀过程可以简单地通过太阳光照射和黑暗放置来实现,分别对应于电池的充电和放电过程。由BiOCl光电极、Pt/O2对电极和0.5 M KOH电解质组装而成的太阳能金属空气电池(SMAB)可在0.38 V的输出电压下(照明15分钟,电极面积~1 cm2)连续放电约3000 s。

图文导读

SMAB的基本结构和充放电机理可以从图中看出,照光时,SMAB采用开路模式,从阳光中自行充电。BiOCl导带中的光生电子随着BiOCl的光腐蚀过程将Bi3+还原为Bi0;同时,光生正电荷(空穴)引发析氧反应生成氧气。在放电过程中(不照光时),Bi0自发地返回到Bi3+产生电子,在对电极(Pt/C)上发生氧还原反应。从I-V特性曲线中可以看出,SMAB显示出实时光响应,这表明BiOCl(即BiOCl/Bi)水凝胶膜电极可以产生和分离光生电荷。从不同照光时间(15 min、30 min、60 min)的SMAB放电曲线中可以看出,延长照光时间可以提高其放电性能,并显著提高初始放电电流。通过进一步对BiOCl水凝胶膜电极的优化将产生更好的电化学性能,使SMAB有望用于高性能的能量转换和储存应用。

文章总结

综上所述,基于BiOCl半导体光腐蚀和自氧化过程的独特性能,开发了集成太阳能收集和电能存储的一体化太阳能电池。在文章结尾,作者指出了这一新型电池亟待解决的问题和未来的发展机会,希望本论文会为太阳能利用和智能可控清洁能源技术的研究做出贡献。

论文信息

Smart Solar-Metal-Air Batteries Based on BiOCl Photocorrosion for Monolithic Solar Energy Conversion and Storage

Yalin Lan, Munkhbayar Batmunkh, Bingzhi Qian, Degang Bu, Qin Zhao, Hongwei Huang, Yu Zhang*, Tianyi Ma*, Xi-Ming Song*, Baohua Jia*

Small

DOI: 10.1002/smll.202105668

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105668