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太阳能自持光辅助充电锌气NEC锂电池系统的高能量转换效率和循环耐久性
发布时间：2026-08-13 20:19:06 点击： 次
户外和偏远地区的能源供应问题已成为一个重大挑战。太阳能自给自足的可充电锌空气电池（RZABs）为离网地区提供了可行的能源解决方案。然而，目前尚无专门研究太阳能发电系统与RZABs系统的技术兼容性和适应性，以及太阳能RZABs系统中能量转换和储存效率。为应对这些挑战，本研究开发了基于光响应聚特噻吩（pTTh）阴极的太阳能自持光辅助RZABs系统。该系统采用具有光响应特性的pTTh作为RZAB的阴极催化剂，不仅显著降低了阴极的过电位，还提升了RZABs的性能和整体能量转换效率（达到16.2%）。在实际应用中，该系统表现出极佳的稳定性，能够在-15至40°C的宽宽温度范围内持续运行，并展现出长达33天的稳定循环运行能力。它为手机、手电筒、GPS设备和小型污染物检测系统等电子设备提供可靠且低成本的电力支持，大大提升了这些设备在离网地区的实用性。
简介
作为一种有前景的可再生能源，太阳能在技术和应用领域都受到越来越多的关注，尤其是在偏远地区和户外活动中[[2]， [3]， [4]]。太阳能自给自足系统为离网偏远地区的电子设备供电提供了可行的解决方案。这些系统通常由光伏太阳能设备和储能设备组成 [[5]， [6]， [7]， [8]]。在阳光下，光伏设备可以将太阳能转化为电能，电能储存在互补的储能装置中。储存的能量可用于为电子产品供电，实现自给自足，并在一定程度上避免频繁更换电池引发的电气故障。晶硅光伏太阳能板以其良好的稳定性、无毒、丰富的原材料以及成熟且可扩展的生产技术著称，主导着商业光伏发电。与RZABs结合后，系统适用于多种应用场景，如户外活动、偏远地区和应急电源，满足多样化的能源需求[[9]， [10]， [11]， [12]]。
RZAB因其高能量密度、低成本和环保特性，在先进能源器件中展现出巨大潜力[[13]， [14]， [15]， [16]， [17]。然而，RZAB需要间歇性充电，增加了设备集成和应用的灵活性。在电力供应不稳定的偏远地区，及时充电RZAB是一项重大挑战。此外，RZAB存在诸如往返效率低、稳定性差和周期寿命短等固有问题，严重影响其实际应用 [[18]， [19]， [20]， [21]]。因此，迫切需要开发具有长周期寿命、高能量密度、在恶劣条件下运行能力强且便携的储能装置。
RZAB通过氧还原反应/氧释放反应（ORR/OER）过程储存和释放能量，而导致高极化和过电位的慢速4e转移过程，是RZAB往返效率低的主要原因[[22]， [23]， [24]， [25]， [26]]。贵金属催化剂通常表现出优异的电催化活性，包括Pt/C和RuO-2分别是ORR和OER反应的常用催化剂。然而，其供应率低且成本高，使得大规模商业生产具有挑战性 [[27]， [28]， [29]， [30]， [31]]。最近，在电池系统中引入光场已被证明是提升电化学催化反应效率的有效策略[32]。光激发半导体阴极产生的光生电子和空穴参与ORR和OER过程，降低或增加电池的充放电电压，并提升往返效率[[33]， [34]， [35]， [36]， [37]]。本研究使用了光响应型pTTh作为RZAB的阴极催化剂。通过优化阴极材料和反应条件，研究成功克服了传统RZAB在充放电周期中存在的高极化问题，显著提升了电池性能。
迄今为止，太阳能自给自足RZABs系统的研究主要集中在能源系统的可行性和适用性上，缺乏针对技术兼容性、适应性以及能源转换和储能效率等关键方面的具体研究[[38]， [39]， [40]]。因此，本研究通过以光响应pTTh作为RZAB阴极催化剂，构建了太阳能自给自足的光辅助RZABs系统，并深入探讨了其在技术兼容性、适应性以及能量转换和储存效率方面的性能。在这里，光响应pTTh显著降低了阴极过电位，提升了充放电电压以及能量储存和转换系统的效率。晶体硅光伏电池在日照变化下提供充足的充电电压，有效克服了RZAB的充电过载，实现两系统实时集成。该太阳能自给自足RZABs系统有效结合太阳能与化能，实现高达16.2%的能源转换效率。在实际循环应用实验中，太阳能水电RZABs系统展示了长期循环耐久性，运行时间为33天，在宽广的工作温度范围内（−15至40°C）表现稳定，并适应偏远地区和恶劣气候条件。在实际应用中，太阳能供电的RZABs系统能够以低成本为手机、手电筒、GPS设备和小型污染物检测系统等电子产品供电（由晶体硅电池和基于pTTh的柔性锌空气电池组成的太阳能RZABs系统仅售价约1美元），大大提升了离网地区的电子设备的实用性。本研究开发的光辅助RZABs系统展现出卓越的技术兼容性和适应性，同时在能量转换效率、稳定性和长期运行能力方面表现出色，为太阳能自持电池系统的技术开发和应用提供了新的见解和可能性（见图1）。
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