余桂华Energy Environ. Sci.：基于太阳能驱动再生电化学循环的能量收集与存储一体系统

金也 5年前 (2019-10-15) 3358浏览

【引言】

太阳能作为一种可再生能源，是世界上所有生命形式中最重要的能源。地球上大量的太阳能使之成为人类非常有吸引力的电力来源。自19世纪80年代设计的第一个太阳能电池以来，科学家为太阳能的有效利用开发了一系列先进的技术。目前，太阳能发电主要由直接利用太阳能的光伏系统和基于太阳能热能发电的技术组成。考虑到太阳能的间歇性，同时的能量收集与存储对于全天候的按需提供可分派电力非常重要，尤其是在偏远地区。此外，以地球上廉价、丰富的材料为基础，且无需复杂的制备工艺开发高性价比的能源系统以实现大规模太阳能转换和存储，对于缓解现代社会潜在的能源危机至关重要。

【成果简介】

近日，德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队在Energy Environ. Sci.上发表了一篇题为“Simultaneous energy harvesting and storage via solar-driven regenerative electrochemical cycles”的论文。该研究报道了一种新的太阳能驱动的再生电化学系统，同时实现了光电能量的收集和存储。通过对电化学活性物质的理性筛选和综合电化学研究，该能源系统基于温差原电池原理可获得高达-1.8 mV K-1的塞贝克系数。即使在35℃的低温梯度下，也可以获得较高的能量转换效率（1.23%和11.9%相对卡诺效率）。为了进一步提高太阳能的转化效率，余桂华教授的团队设计了一种基于石墨烯的双功能集流体兼太阳辐射吸收器，同时具有优异的导电性、光辐射吸收率及光热转化效率。光照条件下的概念验证测试进一步证实了该系统的稳定性和几乎可以忽略的自放电，展现出了其巨大的潜力。。这一创新的单元设计集成了同时的能量转换和存储，有望实现太阳能的合理利用和更广泛的热能的收集。

【成果简介】

图1太阳能再生电化学系统的工作原理和电池设计

（A）用于同时收集和输送能量的能源系统示意图；

（B）太阳驱动再生电化学循环的温-熵图

图2所选活性物质的Seebeck系数测量和RDE测试

图3电池的电化学特性

图4光驱动的再生电化学循环器件设计及双功能石墨烯集流体/辐射吸收体的设计与表征

图5太阳能驱动的再生电化学电池性能

【小结】

该文章报道一种基于合理选择的活性物质的温差原电池原理以实现同时收集和储存能量的新型电化学系统。并且通过绿色大规模制备工艺构建了双功能的石墨烯集流体/辐射吸体，在不使用太阳聚光器和辅助电池的情况下，实现了全天候的能量收集、转换与输送。这种设计为开发新型能量收集与存储一体系统提供了新的路线，有望通过使用廉价、丰富的材料和绿色、低成本的制备工艺来收集和储存太阳能和更广泛的热能。

文献链接：Simultaneous energy harvesting and storage via solar-driven regenerative electrochemical cycles, 2019, Energy Environ. Sci.DOI: 10.1039/C9EE01930H.

  • 团队介绍及工作汇总

余桂华教授课题组专注于从化学的角度来设计新型能源转化与存储器件，综合化学科学，材料科学和能源科学的跨学科研究，包括通过有机合成对活性物质的物理/化学性能进行优化，结合分子水平的电化学反应机理和反应动力学研究，辅以高性能理论计算模拟，发展了一系列新型有机液流电池、仿生液流电池。通过把“原子经济性”的原则扩展到能源领域，为下一代绿色储能材料的开发开创了新的方法，并对氧化还原反应电对的分子设计提供了新的理念。

  • 相关文献推荐
  1. Guo, L. Zhang, Y. Ding, J. Goodenough, G. Yu, "Room-Temperature Liquid Metal and Alloy Systems for Energy Storage Applications", Energy Environ. Sci. 2019, 12, 2605.
  2. Ding, C. Zhang, L. Zhang, Y. Zhou, G. Yu, “Pathways to Widespread Applications: Development of Redox Flow Batteries Based on New Chemistries”, Chem 5, 1964 (2019).
  3. Zhang, Z. Niu, S. Peng, Y. Ding, L. Zhang, X. Guo, Y. Zhao, G. Yu, "Phenothiazine-based organic catholyte for high-capacity and long-life aqueous redox flow batteries", Adv. Mater. 31, 1901052 (2019).
  4. Zhang, Y. Qian, Y. Ding, L. Zhang, X. Guo, Y. Zhao, G. Yu,“Biredox eutectic electrolytes derived from organic redox‐active molecules for high‐energy storage systems", Angew. Chem. Int. Ed. 58, 7045 (2019).
  5. Zhang, L. Zhang, Y. Ding, X. Guo, G. Yu, "Eutectic Electrolytes for High-Energy-Density Redox Flow Batteries", ACS Energy Lett. 3, 2875 (2018).
  6. Zhang, Z. Niu, Y. Ding, L. Zhang, Y. Zhou, X. Guo, X. Zhang, Y. Zhao, G. Yu, “Highly Concentrated Phthalimide-based Anolytes for Organic Redox Flow Battery with Enhanced Reversibility", Chem, 4, 2814 (2018).
  7. Ding, C. Zhang, L. Zhang, Y. Zhou, G. Yu, "Molecular Engineering of Organic Electroactive Materials for Redox Flow Batteries", Chem. Soc. Rev. 47, 69 (2018).
  8. Zhang, Y. Ding, L. Zhang, X. Wang, Y. Zhao, G. Yu, "Sustainable Redox-Flow Battery with an Al-based Deep-Eutectic-Solvent Anolyte", Angew. Chem. Int. Ed. 56, 7454 (2017).
  9. Zhang, C. Zhang, Y. Ding, K. Ramirez-Meyers, G. Yu, "A Low-Cost High-Energy Hybrid Fe-Al Liquid Battery Achieved by Deep Eutectic Solvents", Joule 1, 623 (2017).
  10. Ding, Y. Zhao, Y. Li, J. Goodenough, G. Yu, "A High-Performance All-Metallocene-Based, Non-Aqueous Redox Flow Battery", Energy Environ. Sci. 10, 491 (2017).
  11. Ding, G. Yu, "Environmentally Benign Redox Flow Battery by Molecular Engineering", Angew. Chem. Int. Ed. 56, 8614 (2017).
  12. Ding, Y. Li, G. Yu, “Exploring Bio-Inspired Organic Redox Flow Batteries”, Chem, 1, 790 (2016).
  13. Ding and G. Yu, "A Bio-Inspired, Heavy-Metal-Free, Dual-Electrolyte Liquid Battery towards Sustainable Energy Storage", Angew. Chem. Int. Ed., 55, 4772 (2016).
  14. Zhao, Y. Ding, Y. Li, L. Peng, H. R. Byon, J. B. Goodenough, G. Yu, "A Chemistry and Material Perspective on Lithium Redox Flow Batteries Towards High-density Electrical Energy Storage", Chem. Soc. Rev., 44, 7968 (2015).
  15. Zhao, Y. Ding, J. Song, G. Li, G. Dong, J. B. Goodenough, G. Yu, "Sustainable Electrical Energy Storage through the Ferrocene/Ferrocenium Redox Reaction in Aprotic Electrolyte", Angew. Chem. Int. Ed., 53, 11036 (2014).
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