南開大學高學平Advanced Science：太陽能驅動可充電鋰硫電池

【前言】

太陽能電池和可充電電池是現代社會能源轉換和存儲的兩項關鍵技術。本文提出了一種集成太陽能驅動的可充電鋰硫電池系統。特別地，三個鈣鈦礦太陽能電池被串聯組裝在一個單一的襯底上，對高能硫鋰(Li-S)電池進行光充電，同時將太陽能直接轉化為化學能。在后續的放電過程中，儲存在鋰電池中的化學能進一步轉化為電能。因此，新設計的電池能夠在太陽能驅動的條件下實現太陽能到化學能的轉換，進而將儲存的化學能轉化為電能。通過優化結構設計，使集成電池整體能量轉換效率達到5.14%。此外，由于自調節光充電的優點，電池系統在30分鐘內可以在高光充電速率下保持高達762.4 mAh g^-1的高比容量，顯示出高效的光充電特性。

【成果簡介】

最近，南開大學高學平教授領導的科研團隊在國際知名期刊Advanced Science 上發表了題為Solar–Driven Rechargeable Lithium–Sulfur Battery的文章。在這項工作中，提出了一種基于固態鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）驅動高能鋰硫電池的共享電極模式(JEM)。通常情況下，通過使用穩定的碳層作為連接電極，成功地將Li-S電池首次集成到PSCs上，并與JEM設計相結合。與傳統的二次電池恒壓或恒流充電方式不同的是，在二次電池充電過程中，光電流會隨著電壓的增加而自動調節，使氧化還原反應更加充分。因此，在接近2c的超快光充電速率下，可獲得5.14%的整體效率和762.4 mAh g^-1的比容量。這些結果表明，通過JEM設計的太陽能儲能系統對太陽能在儲能電站中的潛在應用具有很大的前景。

【圖文導讀】

圖1. 太陽能驅動鋰硫電池示意圖

制備的PSC-Li-S電池原理圖。

圖2. 電化學測試性能圖

a) Li-S電池的掃描速率為1 mV s^-1的循環伏安圖(CV)，電位范圍為1.7-2.8 V (vs Li/Li⁺)。b)單個PSC的J-V曲線。

c)不同活性面積的串聯PSCs單元的J-V曲線(該單元由三個串聯的單個PSCs構成)。

d)工作電壓范圍為2.4-2.7 v時的歸一化光電流變化趨勢。

e)單個和串聯的PSCs在最大功率點附近的偏置電壓下的穩定功率輸出測量。

f)典型鋰硫電池在0.2 C速率下初始80個循環的放電容量。

圖3. 光電充電和電化學放電特性

a)最后三個電源充放循環和兩個光充電循環過程的電壓時間(V-t)曲線(藍線是0.2 C恒流充放電過程。使用0.42 cm²活性面積的PSCs，以0.2 C速率恒流放電，黃線指光電充電過程)。

b)近40個電源充放循環(藍色)和2個光充電周期(黃色)放電能力循環試驗結果。

c)電池在不同充電模式下的放電容量(黑線)和T值(藍柱和黃柱)。

圖4. PSC-Li-S電池的循環穩定性測試

a)制備的PSC-Li-S電池在光充電過程中的循環放電性能(黃色)和電壓-時間圖(藍色)，PSCs部分的有效面積為0.63 cm²。

b)PCE和總體效率隨循環次數的變化趨勢。

c)不同截止光充電電壓下的放電容量和整體效率。

【結論】

綜上所述，本文首次提出了一種基于新型JEM模式的集成PSCs/Li-S太陽能驅動充電電池。串聯的碳基PSCs包顯示出良好的PCE為12%(單個器件最高15.9%)和開路電壓為2.8 V，足以為高能Li-S電池充電。采用穩定的共享碳電極，將鋰金屬正極和負載硫的碳負極的Li-S電池直接組裝在PSCs部件的上方。這種緊湊的結構使得集成太陽能充電電池從太陽能到電能/化學能/電能轉換的整體效率達到5.14%。Li-S電池具有智能自調節光充電功能，在2c超快光充電速率下可保持高達750 mAh g^-1的高容量，在相同速度的恒流充電模式下容量僅為535 mAh g^-1。這些優異的性能表明，本文所研制的基于JEM的太陽能儲能電池，為高能量和有效的太陽能存儲系統與新的充電模式打開一個新的大門。

文獻鏈接：Solar-Driven Rechargeable Lithium–Sulfur Battery（DOI：10.1002/advs.201900620）

本文由luna編譯供稿。

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