光充電二次電池.pdf

1、高速發(fā)展的人類社會對能源的需求量與日俱增。然而，隨著地球化石能源的不斷消耗，能源短缺已成為制約當(dāng)今社會高速發(fā)展的瓶頸。因此，尋求可再生能源的高效利用是人類社會實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的最佳選擇。太陽能是唯一可以在能源供應(yīng)量上滿足人類社會未來需求的可再生能源，并具有儲量豐富、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢。因此，取之不盡的太陽能也被認(rèn)為是化石能源最適合的替代品。太陽能電池作為光能的有效利用裝置，在社會生活中應(yīng)用十分廣泛。但傳統(tǒng)太陽能電池也存在著無法避免的缺陷:

2、受地球日照時間長短、強(qiáng)弱不同的影響，太陽能電池的功率輸出不穩(wěn)定，而且只進(jìn)行光能的轉(zhuǎn)化，不能實(shí)現(xiàn)光能的存儲。在無光照時，太陽能電池不對外輸出能量，只能依靠與其相并聯(lián)的二次電池提供能量。本論文針對太陽能電池存在的不足，以染料敏化太陽能電池為研究基礎(chǔ)，借鑒二次電池的儲能原理，對太陽能電池進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造和反應(yīng)設(shè)計(jì)，在一個結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，構(gòu)筑起集光能轉(zhuǎn)換與存儲為一體的光充電二次電池體系。
　　首先，本論文采用具有電催化活性的氮化鈦納米管/鈦網(wǎng)為

3、反應(yīng)電極，以染料(N719)敏化的TiO2為光陽極、三氧化鎢為負(fù)極活性物、碘化鋰溶液為正極活性物構(gòu)筑了基于無機(jī)液/固活性物質(zhì)的光充電二次電池。該工作著重研究了氮化鈦納米管/鈦網(wǎng)作為催化電極在光充電二次電池中的應(yīng)用情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氮化鈦納米管/鈦網(wǎng)具有較大的比較面積、良好的導(dǎo)電性和電催化活性，具有與鉑/鈦網(wǎng)電極相類似的催化能力。在100 mW cm-2的光照強(qiáng)度下，光照30分鐘以后，黑暗條件下，放電截止電壓為0.2伏、放電電流密度為0

4、.2 mA cm-2時，以氮化鈦納米管/鈦網(wǎng)為催化電極構(gòu)筑的基于無機(jī)液/固活性物質(zhì)的光充電二次電池的首周放電容量為0.139 mAh cm-2。光充電與電化學(xué)放電第10周時，電池放電容量為0.124 mAh cm-2，放電容量保持率為89.2％。該研究結(jié)果表明，采用氮化鈦納米管/鈦網(wǎng)為電催化電極構(gòu)筑的光充電二次電池實(shí)現(xiàn)了光能的直接轉(zhuǎn)化與存儲。
　　其次，鑒于電化學(xué)反應(yīng)速率和活性物質(zhì)擴(kuò)散速率在液體中比在固態(tài)中快的特點(diǎn)，本論文借鑒液流

5、電池的輸出功率和容量相對獨(dú)立的儲能原理，將染料敏化太陽能電池和液流電池進(jìn)行優(yōu)化組合構(gòu)筑了基于無機(jī)液/液活性物質(zhì)的光充二次電池。當(dāng)光照強(qiáng)度為100 mW cm-2、光照時間為10分鐘、電解液流速為0.05 mLmin-1、黑暗條件下放電電流密度為0.075 mAcm-2、放電截止電壓為0.2V時，基于碘化鋰溶液和鎢酸鋰溶液分別為正負(fù)極活性物質(zhì)的光充電二次電池的首周放電容量為0.0153 mAh mL-1。特別指出的是電池可以重復(fù)進(jìn)行光充電

6、和電化學(xué)放電。當(dāng)充放電循環(huán)到第10周時，光可充電二次電池放電容量仍然保持為0.0151mAh mL-1，放電容量保持率為98.6％。研究結(jié)果顯示，以碘化鋰溶液和鎢酸鋰溶液為電解液構(gòu)筑的光充電二次電池可以直接轉(zhuǎn)換并存儲光能，而且能夠以穩(wěn)定的功率向外輸出能量。該研究工作表明，通過選擇費(fèi)米能級相互匹配的半導(dǎo)體、染料、可溶性正負(fù)極活性物質(zhì)，基于無機(jī)液/液活性物質(zhì)的光充二次電池完全可以實(shí)現(xiàn)光能的直接轉(zhuǎn)化與儲存。
　　最后，本論文研究了電化學(xué)

7、活性有機(jī)分子在光充電二次電池中的應(yīng)用。自然界中，電化學(xué)活性有機(jī)化合物來源豐富，而且具有氧化還原電勢以及電化學(xué)活性隨著取代基種類及取代基的位置不同而有所改變的特點(diǎn)。該論文以喹喔啉及其衍生物溶液分別為負(fù)極、碘化鋰溶液為正極活性物構(gòu)筑了基于有機(jī)-無機(jī)液/液活性物質(zhì)的光充電二次電池。研究結(jié)果表明，以喹喔啉為負(fù)極活性物的光充電二次電池表現(xiàn)出了最佳的光充電與電化學(xué)放電性能。當(dāng)光照強(qiáng)度為100 mWcm-2、光照時間為10分鐘、電解液流速為0.05

8、mL min-1、光照時間為10分鐘、放電電流密度為0.10 mA cm-2、放電截至電壓為0.2V時，以喹喔啉為負(fù)極活性物的光充電二次電池的首周放電容量為0.0291 mAh mL-1，充放電循環(huán)第20周時，電池放電容量為0.0207mAh mL-1，電池放電容量保持率為71.1％。該研究工作為尋找、設(shè)計(jì)和合成具有可變氧化還原電勢和電化學(xué)活性的光充電二次電池用有機(jī)分子提供了新的方向。
　　總之，本論文構(gòu)筑并探索研究了基于染料敏化