“空氣發(fā)電”實(shí)現(xiàn)光能在電池中的轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)
“吸”入空氣中的氧氣，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，就可以實(shí)現(xiàn)放電；充電時(shí)，放電產(chǎn)物通過(guò)可逆反應(yīng)被分解，又重新釋放出氧氣。鋰—氧氣電池正在讓“空氣發(fā)電”的奇思妙想走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院李福軍研究員團(tuán)隊(duì)研究獲得一種具有表面等離激元增強(qiáng)效應(yīng)的新型半導(dǎo)體催化劑，將可見(jiàn)光引入鋰—氧氣電池中，顯著提升了正極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，有效降低了電池充/放電過(guò)程的極化，開(kāi)辟了構(gòu)筑高效金屬—空氣電池的新思路。
據(jù)介紹，“空氣發(fā)電”被認(rèn)為是發(fā)展前景的下一代電池體系，但其正極遲滯的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致的充放電過(guò)程極化大、能量效率低等問(wèn)題極大地制約了鋰—氧氣電池發(fā)展和應(yīng)用的腳步。
光激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生的光電子和空穴可極大提升電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。采用能帶結(jié)構(gòu)合適的半導(dǎo)體材料，將光引入鋰—氧氣電池中，可顯著提升正極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，降低充/放電過(guò)電壓。
半導(dǎo)體指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域都有應(yīng)用，如二極管就是采用半導(dǎo)體制作的器件。
無(wú)論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。大部分的電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)或是數(shù)字錄音機(jī)當(dāng)中的核心單元都和半導(dǎo)體有著極為密切的關(guān)聯(lián)。
常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等，硅是各種半導(dǎo)體材料應(yīng)用中最具有影響力的一種。
目前采用的半導(dǎo)體光吸收主要集中在紫外光區(qū)，僅占太陽(yáng)光譜的4%。金納米顆粒的等離激元增強(qiáng)效應(yīng)可大幅提升可見(jiàn)光的吸收，提升氧氣還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，促進(jìn)放電產(chǎn)物過(guò)氧化鋰的生成；充電時(shí)，空穴在外加電壓驅(qū)動(dòng)下高效氧化過(guò)氧化鋰，釋放氧氣。
改進(jìn)后的鋰—氧氣電池的放電電壓提高，意味著在放電過(guò)程中，鋰—氧氣電池也可以將部分光能被轉(zhuǎn)化成電能輸出；充電時(shí)，光能被轉(zhuǎn)化成化學(xué)能存儲(chǔ)在鋰—氧氣電池中，使充電電壓下降，電池的充/放電電壓差減小，同時(shí)也獲得了優(yōu)異的電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。這項(xiàng)新的突破將能直接將光能在電池中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)，將為太陽(yáng)能發(fā)電和存儲(chǔ)提供新策略。
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