新策略為電池帶來新趨勢！綠色環(huán)保必將是電池、儲能的未來發(fā)展道路

2022-03-22 15:30:33來源：化工儀器網(wǎng) 閱讀量：134 評論

導(dǎo)讀：電池在我們的日常生活中幾乎無處不在。近年來，各種電池的發(fā)展都相當(dāng)迅速，越來越多的新材料體系不斷成熟，硅碳負(fù)極、復(fù)合隔膜、新型鋰鹽、石墨烯導(dǎo)電劑等新型材料也更多的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但無疑都是與環(huán)保能源緊密相連。

　　電池在我們的日常生活中幾乎無處不在。近年來，各種電池的發(fā)展都相當(dāng)迅速，例如鋰電池、氫燃料電池、太陽能電池等，越來越多的新材料體系不斷成熟，硅碳負(fù)極、復(fù)合隔膜、新型鋰鹽、石墨烯導(dǎo)電劑等新型材料也更多的進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，但無疑都是與環(huán)保能源緊密相連。“環(huán)保”已然成為了當(dāng)下最流行的詞匯。環(huán)保的核心是“新能源”，而新能源的核心則是電池。

　　儲能電池發(fā)展?jié)摿薮螅捎诔杀?、技術(shù)、政策等原因仍處于市場導(dǎo)入階段，相對于動力電池增長滯后，并且目前電池產(chǎn)品傳統(tǒng)的制造工藝、分散訂單發(fā)展模式等很難滿足電池市場的高質(zhì)量、一致性要求。只有瞄準(zhǔn)高精度、高穩(wěn)定性、全自動化、智能化、綠色環(huán)保的生產(chǎn)線制造方式，才能適應(yīng)新市場。

　　全新策略提升鈣鈦礦太陽能電池穩(wěn)定性

　　鈣鈦礦是一種具有與礦物鈣鈦氧化物相同的晶體結(jié)構(gòu)的材料。這些元素的原子非常適合與作為半導(dǎo)體材料的其他原子形成分子，這些半導(dǎo)體材料的電子可以被光能激發(fā)并沿著電線引導(dǎo)以產(chǎn)生電。鈣鈦礦太陽能電池就是利用這種有機(jī)金屬鹵化物半導(dǎo)體作為吸光材料的太陽能電池。

　　鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的材料是近年來興起的新型太陽能電池材料，其光電轉(zhuǎn)化效率高、制作工藝簡單、生產(chǎn)成本和材料成本低。其核心光電轉(zhuǎn)換材料具有廉價、可溶液制備的特點(diǎn)，便于采用不需要真空條件的卷對卷技術(shù)制備，比傳統(tǒng)的硅電池更易生產(chǎn)。鈣鈦礦太陽能電池經(jīng)過十幾年發(fā)展已成為一種極具商業(yè)潛力的光伏技術(shù)，目前其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到商業(yè)化晶硅電池的水平，大面積制備技術(shù)路線也日漸成熟。然而，鈣鈦礦太陽能電池容易在陽光直射下，性能會隨著時間的流逝而退化，其較差的穩(wěn)定性仍然是制約其商業(yè)化的主要問題。

　　加州大學(xué)洛杉磯分校楊陽課題組與西湖大學(xué)工學(xué)院王睿課題組以及成均館大學(xué)Jin-Wook Lee課題組合作，通過對傳統(tǒng)的表面處理策略所導(dǎo)致的能級不匹配問題進(jìn)行了深入探索，發(fā)現(xiàn)盡管表面處理材料中的有機(jī)陽離子可以實(shí)現(xiàn)有效的表面缺陷鈍化，但被忽視的鹵素陰離子會導(dǎo)致表面電勢的改變，從而對長期穩(wěn)定性存在不利影響?？蒲袌F(tuán)隊(duì)對此設(shè)計(jì)了全新的表面處理策略，他們通過引入有機(jī)陰離子替換鹵素陰離子，減少了表面電勢的偏移。

　　該方案實(shí)現(xiàn)了具有高光電轉(zhuǎn)換效率，是一種長期穩(wěn)定性的鈣鈦礦太陽能電池。在經(jīng)過2000小時全天候加速光照測試后，鈣鈦礦電池仍然保持著超過87%的原始光電轉(zhuǎn)換效率。相比之下，在同樣條件下，經(jīng)歷相同時間后，未經(jīng)處理的太陽能電池性能下降到原來的65%。

　　這項(xiàng)研究為鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)商業(yè)化和廣泛采用奠定了基礎(chǔ)。作為目前主流的光伏技術(shù)，晶硅光伏發(fā)電效率已越來越接近極限。而鈣鈦礦太陽能電池的使用低成本、工藝相對容易制造和沉積到表面上高功率轉(zhuǎn)換效率的潛力可調(diào)諧帶隙，意味著其生產(chǎn)所需的材料比硅電池少20倍，并且不使用稀土金屬，與傳統(tǒng)太陽能電池相比，制造過程的能源密集程度要低很多。在技術(shù)的不斷開發(fā)和完善下，鈣鈦礦太陽能電池展現(xiàn)出其在未來光伏領(lǐng)域中的巨大潛力。

　　為能源催化轉(zhuǎn)化、燃料電池領(lǐng)域提供新角度

　　現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展的同時也帶來了日益嚴(yán)峻的能源和環(huán)境問題，可持續(xù)能源的應(yīng)用為這兩大問題的解決帶來了新的機(jī)遇，而發(fā)展高效廉價的催化劑對能源轉(zhuǎn)化來說至關(guān)重要。其中，像是電解水裝置、氫能燃料電池及金屬-空氣電池備受關(guān)注。

　　然而，這些裝置所涉及到的陰極反應(yīng)，如氧化還原反應(yīng)都較為緩慢，雖然采用貴金屬作為催化劑可以有效地加速這些反應(yīng)進(jìn)程以提高上述裝置的工作效率，但造成的高成本問題卻又嚴(yán)重制約了這些裝置的實(shí)際運(yùn)用，因此，開發(fā)高活性及高穩(wěn)定性的低成本非貴金屬催化劑被認(rèn)為是推進(jìn)上述能源轉(zhuǎn)換裝置的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　碳基單原子催化劑是一種新穎、低成本并且高性能的催化劑，在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換與催存中有著重要的作用。碳基過渡金屬單原子催化劑(M-N-C)其本身就具有元素利用率高、本征活性強(qiáng)、相對貴金屬廉價和豐富的優(yōu)勢，在電催化氧還原等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。但如今，M-N-C催化劑面臨著在堿性、酸性環(huán)境中穩(wěn)定性欠佳、單原子活性位點(diǎn)暴露比例較低的瓶頸問題，其主要是由于常規(guī)熱解方法處理碳氮前驅(qū)體構(gòu)筑的M-N-C催化劑碳基底中的孔道結(jié)構(gòu)普遍以微孔為主，極易造成活性位點(diǎn)暴露受限和電解液深入擴(kuò)散受阻，影響了傳質(zhì)和催化效率。

　　近日，中科院青島生物能源與過程研究所的研究員們?yōu)榱藰?gòu)筑性能優(yōu)良、穩(wěn)定性突出的氧還原催化劑，在前期生物質(zhì)衍生鐵-氮-碳，金屬框架聚合物形貌結(jié)構(gòu)調(diào)整以及碳載鉑基合金納米催化劑材料制備的基礎(chǔ)上，通過巧妙設(shè)計(jì)，開發(fā)了一種非常簡易有效的利用有機(jī)弱酸鹽輔助熱解策略，來同時提升最終鐵-氮-碳催化劑中介孔分布和鐵單原子含量。這種策略能夠有效實(shí)現(xiàn)該絡(luò)合物的原位包覆，并且這種催化劑0.67V的堿性環(huán)境下運(yùn)行90小時后活性依然能夠保持90%以上，顯著優(yōu)于文獻(xiàn)中普遍報道的10小時就會出現(xiàn)明顯衰減的現(xiàn)象，在鋅空燃料電池中也取得了良好應(yīng)用效果。

　　為了能夠繼續(xù)提升過渡金屬單原子催化劑的應(yīng)用范圍和促進(jìn)鉑基材料氧還原催化效率，研究組進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)了一種利用陽離子表面活性劑絡(luò)合氯鉑酸鹽，并將其在聚合物合成過程中原位植入到低鈷沸石咪唑酯骨架材料中。再結(jié)合優(yōu)化的原位還原與合金化處理策略，可以獲得過渡金屬鈷單原子載體負(fù)載的具有Co-N-C包覆層的Pt3Co和鈷納米顆粒雜化結(jié)構(gòu)。

　　該策略可以實(shí)現(xiàn)鉑在聚合物中的高度均勻分散，并且能夠有效緩解因高溫發(fā)生的快速遷移和聚集長大，為在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下延長穩(wěn)定性提供結(jié)構(gòu)保障。該研究工作為合成具有碳包覆鉑基納米顆粒結(jié)構(gòu)材料和同時具有鉑基組分、過渡金屬單原子活性組分的新型高效催化劑提供了新思路，為探索在能源催化轉(zhuǎn)化、燃料電池應(yīng)用等領(lǐng)域的研究提供了新角度，同時也為電池壽命大幅提升提供了條件。

　　隨著國家頒布了以綠色、節(jié)能為導(dǎo)向的行業(yè)發(fā)展政策之后，碳中和、碳達(dá)峰再次成為被狙擊的對象。重要的是，這項(xiàng)“國策”級別的政策，已經(jīng)將新能源汽車和儲能被列為新興產(chǎn)業(yè)，國家的發(fā)展側(cè)重徹底明了，一些相關(guān)利好政策也將逐步出臺，未來應(yīng)用領(lǐng)域電池應(yīng)用的空間會越來越大，小到穿戴設(shè)備，達(dá)到航天航空高科技，都會配套電池的使用。

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