鉅大LARGE | 點擊量：885次 | 2021年09月23日
科學家從材料結(jié)構(gòu)入手提高電池能效
計算機模擬的硅BC8納米粒子結(jié)構(gòu)。
隨著技術(shù)的不斷革新，人們對電池這種必需品提出了更高的要求。儲能電池要更加安全、更加廉價、更大的儲能空間，太陽能電池則要更高的轉(zhuǎn)換率、更廣泛的應用環(huán)境、更便宜的原材料。時至今日，研究人員更多地針對材料結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新，從而提高電池能效。
固態(tài)電解質(zhì)電池提高5倍儲能
美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員近日開發(fā)出一種固態(tài)電解質(zhì)，可以使鋰離子電池的儲能量比現(xiàn)有水平高出5到10倍，也可以降低因液態(tài)電解質(zhì)帶來的易燃性。
在儲能電池中，電解質(zhì)的用途是讓電流流過電池。即使是目前相對安全的鋰離子電池，也在使用具有易燃性的液態(tài)電解質(zhì)。盡管前段時間的波音787起火事件的原因尚未確定，但也不難讓人聯(lián)想到罪魁禍首就是電池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
以往的固態(tài)電解質(zhì)雖然安全性更高，但其導電性很難滿足電池的使用要求。研究人員通過改變固態(tài)電解質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)解決了這一難題。并將研究結(jié)果發(fā)表在最新的《美國化學學會會刊》上。
據(jù)了解，改良后的納米結(jié)構(gòu)使材料的導電性提高了1000倍，足以在鋰離子電池中使用。同時，這種新材料與高能電極之間能夠相容。
為了防止固態(tài)電解質(zhì)的導電性不如液態(tài)電解質(zhì)，研究人員還將其做得極薄，來彌補差距。盡管在充電速度上尚不如液態(tài)電解質(zhì)，但在許多應用項目上導電性略差并不是問題。
固態(tài)電解質(zhì)不僅防止了可燃的缺點，也讓電池可以使用能量更高的電極材料。這樣既可以使儲能總量提高很多，也可以減少電池體積。在飛機上使用可以節(jié)約空間，降低負重，還能極大降低成本。
通過實驗顯示，固態(tài)電解質(zhì)極其適合鋰硫電池使用。傳統(tǒng)鋰硫電池雖然儲電量大，但鋰金屬電極可能導致短路或起火，硫電極在液態(tài)電解質(zhì)中容易分解，其充電次數(shù)、使用壽命和安全都存在隱患。但固態(tài)電解質(zhì)可以穩(wěn)定鋰金屬，起到屏障用途以防止短路，也可以防止硫的溶解流失。
目前，研究人員只制造出半英寸大小的小型測試電池。而固態(tài)電解質(zhì)與鋰硫電池的兼容性測試結(jié)果也尚未公布。
特殊硅結(jié)構(gòu)令轉(zhuǎn)化率升至42%
美國加州大學戴維斯分校的科研人員通過計算機模擬證實，利用特殊的硅BC8結(jié)構(gòu)，能夠基于單個光子出現(xiàn)多個電子空穴對，大幅提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)研究報告公布在最新的《物理評論快報》上。
據(jù)了解，太陽能電池以光電效應作為基礎(chǔ)，當一個光子或是光粒子擊中單個硅晶體時，便會出現(xiàn)一個帶負電荷的電子以及一個帶正電荷的空穴，而收集這些電子空穴對就能夠生成電流。
加州大學戴維斯分?；瘜W系的朱莉亞·加利表示，傳統(tǒng)的太陽能電池能基于每個光子出現(xiàn)一個電子空穴對，因此其理論最大轉(zhuǎn)換效率約為33%。而新的結(jié)構(gòu)能夠基于單個光子出現(xiàn)多個電子空穴對，從而切實提升太陽能電池的效率。
借助勞倫斯伯克利國家實驗室的超級計算機，研究人員模擬了硅BC8的形成過程，這種硅結(jié)構(gòu)形成于高壓環(huán)境，但其在正常壓力下也很穩(wěn)定。模擬結(jié)果顯示，硅BC8納米粒子確實基于單個光子生成了多個電子空穴對，即使當它暴露于可見光時亦是如此。
博士后研究員斯蒂芬·魏博曼稱，這一發(fā)現(xiàn)可使太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化效率提升至42%，超越任何現(xiàn)有的太陽能電池，具有重大意義。他說：假如利用拋物面反射鏡為新型太陽能電池聚集陽光，有理由相信，其轉(zhuǎn)換效率或可高達70%。
目前，通過與傳統(tǒng)的硅納米粒子相結(jié)合所制成的太陽能電池模型僅能在紫外線的照射下工作，還不能在可見光照射下正常工作。
哈佛大學和麻省理工學院的科學家曾指出，當普通硅太陽能電池被激光照射時，激光所發(fā)出的能量或可營造出局部的高壓以形成硅BC8納米晶體。因此，施加激光或是化學壓力都可能使現(xiàn)有的太陽能電池轉(zhuǎn)化為高效的新型太陽能電池。
