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孙靖宇课题组EES:快充锌离子电池构筑可穿戴太阳能充电单元

来源:大阳城注册平台 发布者:金霞发布时间:2021-03-19浏览次数:17

       太阳能作为一种具有广阔应用前景的可再生能源,被广泛利用生产电能。然而,由于它波动和间歇的特点,很难满足目前的终端用电需求。因此,发展基于太阳能电池和储能设备相耦合的集成系统尤为必要。但是,目前器件的整体能量转化效率仍然被太阳能电池的高波动性输出电流和储能设备不佳的电流耐受性之间的失配所限制;此外,集成系统的可穿戴设计鲜有考虑。

       近日,苏州大学孙靖宇教授课题组联合苏州大学的邵元龙教授、加州大学洛杉矶分校的Richard Kaner教授在Energy & Environmental Science上报道了具有高倍率性能的微型锌离子电池和砷化镓太阳能电池的有效集成,从而有效解决了太阳能电池和储能设备之间的不匹配问题,实现了具有高整体能量转化效率(23.11%)的可穿戴集成单元。此外,该高倍率锌离子电池的电化学储能机制被系统挖掘。这为构筑高效率的太阳能光充系统以及发展更加功能化的可穿戴集成单元提供了新思路。第一作者为大阳城注册平台孙靖宇课题组2017级硕士研究生田政南(现为KAUST 2020级博士研究生)。

       论文链接https://doi.org/10.1039/D0EE03623D

      柔性电子技术和人工智能技术催生了可穿戴多功能化的集成能源系统的发展。其中,太阳能光充自供电系统吸引了广泛的研究兴趣。通俗来说,太阳能光充系统由太阳能光伏系统和能源存储系统两部分组成。工作时,光伏系统将太阳光转换为电能,随后即时储存在能源存储系统中——存储的电能在不同的场景下经由外电路释放给予供电。光充自供电系统有以下优势:i) 能源存储系统的集成使得太阳能实现即时存储,可解决太阳能电池输出电流间歇性的问题;ii) 能源存储系统可以显著地调节峰值电流,实现平稳的电流输出。因此,早前报道的基于锂离子电池和钙钛矿太阳能电池的集成系统,作为开创性的工作,实现了7.8%的整体能量转化效率(Nature Commun.2015, 6, 8103)。然而,目前的光充自供电系统仍然面临着整体能量转化效率偏低,光充循环稳定性不高等缺陷。其主要原因在于太阳能电池输出电流存在较大的波动性,剧烈变化的电流使得储能系统无法抗衡而最终失调。因此开发具有强健电流耐受性的储能系统,实现稳定的电流平衡功能以及不同电流密度下高的能量转换效率尤为必要。我们最近探索了集成超级电容器和太阳能电池可实现11.95%的整体能量转化效率(Nature Commun.2019, 10, 4913):虽然超级电容器具有优异的倍率性能,但是光充之后,低的能量密度亦会限制整体器件的续航能力。

      基于此,集成碱性锌离子电池作为储能系统不失为一个可行的探索。一方面,和有机电解液比起来,氢氧化钾电解液表现出高的离子电导率。这使得碱性锌离子电池具有显著的快速充放电性能。另一方面,碱性锌离子电池正极丰富的氧化活性位点和锌负极高的理论比容量(820 mAh g-1),使得能量密度较超级电容器优势明显。因此,碱性锌离子电池作为光充自供电系统的储能部分可以实现较好的电流调节能力,稳定电流电压输出,同时实现高的整体能量转化效率和续航能力。此外,虽然碱性锌离子电池的倍率性能和能量密度优势明显,但是目前的常用正极氢氧化物材料在碱性电解液中的反应机制并不明确。

      因此,在本工作中我们选取典型的镍钴双层氢氧化物(LDH)材料作为正极,构筑了高倍率的碱性锌离子电池。通过间位的XRD/XPS/ESR谱学研究以及结合DFT理论计算,系统分析了LDH材料在碱性电解液中的储能机制。而后通过激光加工技术制备了柔性微型锌离子电池,通过与砷化镓太阳能电池集成,构筑了可穿戴的光充自供电单元,实现了高的整体能量转化效率和循环稳定性。本工作对开发高倍率快充可穿戴光充自供电系统以及高倍率的锌离子电池提供了新思路。

图示:本工作的研究思路概况