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從材料結構入手提高電池能效

日期:2013-3-8
       隨著技術的不斷革新,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,太陽能電池則需要更高的轉換率、更廣泛的應用環境、更便宜的原材料。時至今日,研究人員更多地針對材料結構進行創新,從而提高電池能效。
  固態電解質電池提高5倍儲能
  美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員近日開發出一種固態電解質,可以使鋰離子電池的儲能量比現有水平高出5到10倍,也可以降低因液態電解質帶來的易燃性。
  在儲能電池中,電解質的作用是讓電流流過電池。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電解質。盡管前段時間的波音787起火事件的原因尚未確定,但也不難讓人聯想到罪魁禍首就是電池。
  以往的固態電解質雖然安全性更高,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電解質的納米結構解決了這一難題。并將研究結果發表在最新的《美國化學學會會刊》上。
  據了解,改良后的納米結構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。
  為了避免固態電解質的導電性不如液態電解質,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電解質,但在許多應用項目上導電性略差并不是問題。
  固態電解質不僅避免了可燃的缺點,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約空間,降低負重,還能極大降低成本。
  通過實驗顯示,固態電解質極其適合鋰硫電池使用。傳統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,硫電極在液態電解質中容易分解,其充電次數、使用壽命和安全都存在隱患。但固態電解質可以穩定鋰金屬,起到屏障作用以防止短路,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。而固態電解質與鋰硫電池的兼容性測試結果也尚未公布。
  特殊硅結構令轉化率升至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”結構,能夠基于單個光子產生多個電子空穴對,大幅提升太陽能電池的轉換效率。相關研究報告發布在最新的《物理評論快報》上。
  據了解,太陽能電池以光電效應作為基礎,當一個光子或是光粒子擊中單個硅晶體時,便會產生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,傳統的太陽能電池能基于每個光子產生一個電子空穴對,因此其理論最大轉換效率約為33%。而新的結構能夠基于單個光子產生多個電子空穴對,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,這種硅結構形成于高壓環境,但其在正常壓力下也很穩定。模擬結果顯示,“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,這一發現可使太陽能電池的最大轉化效率提升至42%,超越任何現有的太陽能電池,具有重大意義。他說:“如果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,其轉換效率或可高達70%。”
  目前,通過與傳統的硅納米粒子相結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有的太陽能電池轉化為高效的新型太陽能電池。
 
 

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