【顶刊】南开大学高学平课题组：新型集成系统，太阳能为锂硫电池充电

目前，电动汽车已经占据了很大一部分市场，而且其份额将会在未来多年内继续快速增长。与燃油汽车相比，电动车的单次续航里程已经可以与之媲美，然而，在充能方面，燃油车仅需数分钟即可加满燃料，而电动汽车则需要数小时甚至十几个小时才可以将电池组充满电。更为糟糕的是，充电桩设施短缺，天气环境对电池容量影响巨大，电量无法简单借用和共享，这些不容忽视的问题都大大加剧了电动车主们的“电量焦虑感”。

如果能搭建一个覆盖整个路面，廉价易得的无线充电网络的话，这些问题仿佛可以迎刃而解。这听起来像是无法实现的天方夜谭，但是实际上，这样一个免费的无线充电站已经存在了好几十亿年了！这个无线充电站的电源就是我们的太阳，利用巧妙设计的光驱动储能系统，我们就可以源源不断的从太阳哪里获取能量。

近日，Advanced Science 在线发表了南开大学材料科学与工程学院高学平研究员课题组关于光充电二次电池的工作。该工作的突出亮点在于通过共享电极（JEM）设计了一种一体式的光驱动锂硫二次电池体系，可以高效的实现光能的转换和储存。论文的第一作者为南开大学博士研究生陈鹏，论文通讯作者为高学平研究员。

本文提出了一种集成式的太阳能驱动可充电锂硫电池系统。具体来说，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，电池系统在接近2C的高光充电速率下保持高达762.4mAh g^-1的高比容量，显示出高效的光充电特性。

图1：光驱动锂硫电池的原理示意图（图片来自 Chen, P., Li, G.‐R., Li, T.‐T., Gao, X.‐P., Solar‐Driven Rechargeable Lithium–Sulfur Battery. Adv. Sci. 2019, 1900620.）。

本文首次提出了一种基于新型JEM模式的一体式太阳能驱动充电电池。通过稳定的共享电极，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。

图2：光驱动锂硫电池的电学性能 （a）：电源充放电和光充放电过程的电压时间曲线（蓝色为0.1C电源充放电过程，黄色为光充放电过程，放电速率0.1C）。 （b）：容量循环保持测试。 （c）不同充电模式下的容量和T值（图片来自 Chen, P., Li, G.‐R., Li, T.‐T., Gao, X.‐P., Solar‐Driven Rechargeable Lithium–Sulfur Battery. Adv. Sci. 2019, 1900620.）。

图3：光驱动锂硫电池的循环性能测试 （a）：多周光充放电循环的电压时间及容量循环数曲线。（b）：总能量转换效率和太阳能转换模块效率随循环次数的变化曲线。 （c）：容量和总能量转换效率与充电截止电压的变化曲线（图片来自 Chen, P., Li, G.‐R., Li, T.‐T., Gao, X.‐P., Solar‐Driven Rechargeable Lithium–Sulfur Battery. Adv. Sci. 2019, 1900620.）。

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的光充电功能，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。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201900620