从材料结构入手提高电池能效
2013-02-06   来源:中国能源报  浏览次数:

  随着技术的不断革新,人们对电池这种必需品提出了更高的要求。储能电池要更加安全、更加廉价、更大的储能空间,太阳能电池则需要更高的转换率、更广泛的应用环境、更便宜的原材料。时至今日,研究人员更多地针对材料结构进行创新,从而提高电池能效。

  固态电解质电池提高5倍储能

  美国橡树岭国家实验室的研究人员近日开发出一种固态电解质,可以使锂离子电池的储能量比现有水平高出5到10倍,也可以降低因液态电解质带来的易燃性。

  在储能电池中,电解质的作用是让电流流过电池。即使是目前相对安全的锂离子电池,也在使用具有易燃性的液态电解质。尽管前段时间的波音787起火事件的原因尚未确定,但也不难让人联想到罪魁祸首就是电池。

  以往的固态电解质虽然安全性更高,但其导电性很难满足电池的使用要求。研究人员通过改变固态电解质的纳米结构解决了这一难题。并将研究结果发表在最新的《美国化学学会会刊》上。

  据了解,改良后的纳米结构使材料的导电性提高了1000倍,足以在锂离子电池中使用。同时,这种新材料与高能电极之间能够相容。

  为了避免固态电解质的导电性不如液态电解质,研究人员还将其做得极薄,来弥补差距。尽管在充电速度上尚不如液态电解质,但在许多应用项目上导电性略差并不是问题。

  固态电解质不仅避免了可燃的缺点,也让电池可以使用能量更高的电极材料。这样既可以使储能总量提高很多,也可以减少电池体积。在飞机上使用可以节约空间,降低负重,还能极大降低成本。

  通过实验显示,固态电解质极其适合锂硫电池使用。传统锂硫电池虽然储电量大,但锂金属电极可能导致短路或起火,硫电极在液态电解质中容易分解,其充电次数、使用寿命和安全都存在隐患。但固态电解质可以稳定锂金属,起到屏障作用以防止短路,也可以防止硫的溶解流失。

  目前,研究人员只制造出半英寸大小的小型测试电池。而固态电解质与锂硫电池的兼容性测试结果也尚未公布。

  特殊硅结构令转化率升至42%

  美国加州大学戴维斯分校的科研人员通过计算机模拟证实,利用特殊的“硅BC8”结构,能够基于单个光子产生多个电子空穴对,大幅提升太阳能电池的转换效率。相关研究报告发布在最新的《物理评论快报》上。

  据了解,太阳能电池以光电效应作为基础,当一个光子或是光粒子击中单个硅晶体时,便会产生一个带负电荷的电子以及一个带正电荷的空穴,而收集这些电子空穴对就能够生成电流。

  加州大学戴维斯分校化学系的朱莉亚·加利表示,传统的太阳能电池能基于每个光子产生一个电子空穴对,因此其理论最大转换效率约为33%。而新的结构能够基于单个光子产生多个电子空穴对,从而切实提升太阳能电池的效率。

  借助劳伦斯伯克利国家实验室的超级计算机,研究人员模拟了“硅BC8”的形成过程,这种硅结构形成于高压环境,但其在正常压力下也很稳定。模拟结果显示,“硅BC8”纳米粒子确实基于单个光子生成了多个电子空穴对,即使当它暴露于可见光时亦是如此。

  博士后研究员斯蒂芬·魏博曼称,这一发现可使太阳能电池的最大转化效率提升至42%,超越任何现有的太阳能电池,具有重大意义。他说:“如果利用抛物面反射镜为新型太阳能电池聚集阳光,有理由相信,其转换效率或可高达70%。”

  目前,通过与传统的硅纳米粒子相结合所制成的太阳能电池模型仅能在紫外线的照射下工作,还不能在可见光照射下正常工作。

  哈佛大学和麻省理工学院的科学家曾指出,当普通硅太阳能电池被激光照射时,激光所发出的能量或可营造出局部的高压以形成“硅BC8”纳米晶体。因此,施加激光或是化学压力都可能使现有的太阳能电池转化为高效的新型太阳能电池。

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