基于双功能兼容电极的光辅助充电电池

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人类对于煤、石油等能源的过度依赖,导致不可再生能源的急剧减少并造成严重的环境污染问题。在诸多的清洁能源中,太阳能具有容易获得且能量巨大等特点,最有希望解决人类对于能源的长久需求。将太阳能电池和二次电池结合为一个完整设备——光充电电池,可以有效地利用太阳能进行持续性供电,但是其发展速度十分缓慢且距离商业化相去甚远。除光电转换效率外,限制光充电电池发展的最主要瓶颈是双功能电极的选择,因为双功能电极是二者结合的前提,也是电子传输、能量存储和稳定性的关键因素。提高双功能电极的兼容性,无疑是突破这一瓶颈的有效手段。本文从电极的兼容性出发,制备了不同的双功能电极以适应于不同的完整系统:(1)通过化学腐蚀法制备了双功能网状Cu2S电极,该电极即作为敏化太阳能电池的对电极,也作为半液流电池的催化电极。完整的三电极光辅助充电电池以CdS/CdSe共敏化的TiO2为光电极,网状Cu2S作为双功能电极,金属钠作为负极,Na2S4和NaClO4分别作为无机、有机电解液,构建兼容性良好的三电极体系。通过光辅助充电的光电压响应测试,完整器件在充电过程中可以减少0.2 V的充电电压。通过光辅助恒电流充放电测试,光辅助充电的放电容量比黑暗环境中充电的放电容量提高了2.5倍。(2)通过单质硫和碳纳米管负载在泡沫镍基底上制备一种硫/碳复合电极,该电极可以负载活性物质并保证电解液的流动性,其作为染料敏化太阳能电池的对电极和锂硫电池的正极都展现了良好的性能。基于此双功能电极,以LiTFSI电解液作为同一媒介,可以将染料敏化太阳能电池和锂硫电池结合为一个兼容性良好的三电极光辅助充电电池。这个完整器件具有0.65 V的光电压响应,通过光辅助充电可以降低充电电压。在恒电流充电的过程中,光照时间越长,放电的容量越高,在光辅助充电1000 s,放电容量可达125.7 mAh g-1。而在经过光照之后,即使在完全黑暗的环境中进行恒电流充放电,完整器件的放电容量依然增加至91.1 mAh g-1。(3)通过水热法合成的Cu2S花状纳米颗粒即可以作为敏化太阳能电池的对电极材料也可以作为锂离子电池的负极材料,这里我们将Cu2S直接刮涂在染料敏化的TiO2光阳极表面制备成一种双功能电极。借鉴传统的锂离子电池结构,我们将双功能电极与金属锂电极组装成一种简单且具有普适性的两电极光辅助充电电池系统。通过间歇性光照,明显的光电压响应证明了完整器件良好的兼容性,同时减少0.2 V的充电电压。相比于黑暗环境中充电的放电容量,光辅助充电的放电容量为16 mAh g-1,而光辅助放电容量可达到209.6 mAh g-1
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