南开大学高学平Advanced Science：太阳能驱动可充电锂硫电池

【前言】

太阳能电池和可充电电池是现代社会能源转换和存储的两项关键技术。本文提出了一种集成太阳能驱动的可充电锂硫电池系统。特别地，三个钙钛矿太阳能电池被串联组装在一个单一的衬底上，对高能硫锂(Li-S)电池进行光充电，同时将太阳能直接转化为化学能。在后续的放电过程中，储存在锂电池中的化学能进一步转化为电能。因此，新设计的电池能够在太阳能驱动的条件下实现太阳能到化学能的转换，进而将储存的化学能转化为电能。通过优化结构设计，使集成电池整体能量转换效率达到5.14%。此外，由于自调节光充电的优点，电池系统在30分钟内可以在高光充电速率下保持高达762.4 mAh g^-1的高比容量，显示出高效的光充电特性。

【成果简介】

最近，南开大学高学平教授领导的科研团队在国际知名期刊Advanced Science上发表了题为Solar–Driven Rechargeable Lithium–Sulfur Battery的文章。在这项工作中，提出了一种基于固态钙钛矿太阳能电池（PSCs）驱动高能锂硫电池的共享电极模式(JEM)。通常情况下，通过使用稳定的碳层作为连接电极，成功地将Li-S电池首次集成到PSCs上，并与JEM设计相结合。与传统的二次电池恒压或恒流充电方式不同的是，在二次电池充电过程中，光电流会随着电压的增加而自动调节，使氧化还原反应更加充分。因此，在接近2c的超快光充电速率下，可获得5.14%的整体效率和762.4 mAh g^-1的比容量。这些结果表明，通过JEM设计的太阳能储能系统对太阳能在储能电站中的潜在应用具有很大的前景。

【图文导读】

图1. 太阳能驱动锂硫电池示意图

制备的PSC-Li-S电池原理图。

图2. 电化学测试性能图

a) Li-S电池的扫描速率为1 mV s^-1的循环伏安图(CV)，电位范围为1.7-2.8 V (vs Li/Li⁺)。b)单个PSC的J-V曲线。

c)不同活性面积的串联PSCs单元的J-V曲线(该单元由三个串联的单个PSCs构成)。

d)工作电压范围为2.4-2.7 v时的归一化光电流变化趋势。

e)单个和串联的PSCs在最大功率点附近的偏置电压下的稳定功率输出测量。

f)典型锂硫电池在0.2 C速率下初始80个循环的放电容量。

图3. 光电充电和电化学放电特性

a)最后三个电源充放循环和两个光充电循环过程的电压时间(V-t)曲线(蓝线是0.2 C恒流充放电过程。使用0.42 cm²活性面积的PSCs，以0.2 C速率恒流放电，黄线指光电充电过程)。

b)近40个电源充放循环(蓝色)和2个光充电周期(黄色)放电能力循环试验结果。

c)电池在不同充电模式下的放电容量(黑线)和T值(蓝柱和黄柱)。

图4. PSC-Li-S电池的循环稳定性测试

a)制备的PSC-Li-S电池在光充电过程中的循环放电性能(黄色)和电压-时间图(蓝色)，PSCs部分的有效面积为0.63 cm²。

b)PCE和总体效率随循环次数的变化趋势。

c)不同截止光充电电压下的放电容量和整体效率。

【结论】

综上所述，本文首次提出了一种基于新型JEM模式的集成PSCs/Li-S太阳能驱动充电电池。串联的碳基PSCs包显示出良好的PCE为12%(单个器件最高15.9%)和开路电压为2.8 V，足以为高能Li-S电池充电。采用稳定的共享碳电极，将锂金属正极和负载硫的碳负极的Li-S电池直接组装在PSCs部件的上方。这种紧凑的结构使得集成太阳能充电电池从太阳能到电能/化学能/电能转换的整体效率达到5.14%。Li-S电池具有智能自调节光充电功能，在2c超快光充电速率下可保持高达750 mAh g^-1的高容量，在相同速度的恒流充电模式下容量仅为535 mAh g^-1。这些优异的性能表明，本文所研制的基于JEM的太阳能储能电池，为高能量和有效的太阳能存储系统与新的充电模式打开一个新的大门。

文献链接：Solar-Driven Rechargeable Lithium–Sulfur Battery（DOI：10.1002/advs.201900620）

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