【中國科學報】新型儲能系統(tǒng)：把太陽能裝進電池里
文章來源:未知時間:2022-01-23
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張鶴在實驗中。 中國科學院長春應用化學研究所博士生張鶴獨自坐在實驗臺前，通過觀察電化學工作站數(shù)據(jù)的運行情況，不斷手動調整裝置的連接模式。這是他近段時間以來工作日常的縮影?！ 坝袝r候循環(huán)測試可能需要十幾個小時，操作者必須寸步不離地守在實驗裝置前。”他告訴《中國科學報》。 最近，張鶴終于得以短暫地放松。在中國科學院院士董紹俊的指導下，他所在的團隊通過構建基于水/氧循環(huán)的生物光電化學模型，成功實現(xiàn)了集成化體系下太陽能的連續(xù)轉化與存儲。相關成果日前發(fā)表于《美國化學會志》?！ 〔婚g斷的太陽能 地球自轉，引起了自然界中白晝與黑夜的交替變化，這導致了區(qū)域性的陽光照射是間歇的、非連續(xù)的。 對于傳統(tǒng)光伏器件而言，要想獲得源源不斷的電力輸出，連續(xù)不斷的光照是裝置正常運行的最基本條件。然而，受區(qū)域性光照間歇的影響，光伏器件中的能源轉換（光能到電能）是一個非連續(xù)性過程。這在很大程度上限制了太陽能的直接利用，使其不能滿足實際生產(chǎn)生活中日以繼夜的電力需求?！ 榻鉀Q這一問題，科學家們提出了相應的能源儲備戰(zhàn)略，通過將光電化學體系與二次電池或液流電池體系連用，實現(xiàn)了太陽能的轉化與存儲。 “但是，多體系連用存在系統(tǒng)復雜、成本較高、能量傳輸損耗嚴重等缺點?！闭撐牡谝蛔髡邚堹Q分析，多體系連用一方面需要考慮體系與體系間的匹配問題，另一方面能量在傳輸轉移過程中容易以熱能形式出現(xiàn)不可避免的損耗。這樣一來，既增加了設備成本，也不利于存儲能源的有效利用?！ ?018年，該團隊通過將n—型半導體光陽極與多銅氧化酶生物陰極相匹配，成功構建了一個基于水/氧循環(huán)的生物光電化學池，實現(xiàn)在體系水/氧循環(huán)狀態(tài)下從光能與化學能到電能的連續(xù)穩(wěn)定轉化?！ 〔贿^，與傳統(tǒng)光電化學體系相同，該體系的運行完全受控于外界光照情況，亟須進一步修正?！ 拔覀儓F隊在此前研究工作的基礎上，通過引入儲能模塊（聚吡咯電容電極），建立起一個集成化的生物光電化學模型體系。在體系中水/氧自循環(huán)的狀態(tài)下，實現(xiàn)了光照與暗場條件下源源不斷的電力輸出。”張鶴說。 把太陽能存儲起來 針對電池體系的研究，該團隊從考察單個電極的電化學行為入手，從單個電極到單個電池再到整個體系，由簡及繁地對所構建模型體系的各個組分及整體性能進行考察?！ ∈紫扔龅降碾y點就是儲能模塊的選擇。 論文作者之一、中國科學院長春應用化學研究所博士生黃亮告訴《中國科學報》，為確保固態(tài)電容電極的正常蓄能，一方面其充/放電電勢窗口需介于光生物燃料電池兩電極電勢之間；另一方面需確保該電極在中性電化學體系中具備較高且穩(wěn)定的電容量?！敖?jīng)過多方面優(yōu)化選擇與測試，我們選擇聚吡咯電容電極作為儲能模塊?！薄 」黄淙?，聚吡咯電容電極扮演的雙重角色實現(xiàn)了光電化學體系與電池體系的集成化連用?！ 」庹諚l件下，在光電化學體系中，聚吡咯電容電極作為陰極接受來自陽極產(chǎn)生的光電子，并憑借自身的電容性能將其存儲起來，實現(xiàn)光能到電能、化學能的轉化；暗場條件下，在電池體系中聚吡咯電容電極又作為陽極將存儲的光電子傳輸?shù)缴镪帢O，實現(xiàn)化學能到電能的轉化。 第二大難點在于體系蓄放過程中各個電極間電位的匹配問題。 “需要確定電容電極的充/放電電位?！闭撐淖髡咧?、中國科學院長春應用化學研究所副研究員翟俊峰告訴《中國科學報》，在光電化學體系中，陽極光催化水氧化（OER）電位需要低于- 0.1 V才能有效地實現(xiàn)光生電荷在電容電極上的存儲，因此二氧化鈦電極可以作為合適的光催化材料應用在該體系中?！ 《谏锶剂想姵伢w系中，陰極催化氧還原電位需要高于0.3 V才能有效地實現(xiàn)光生電荷從電容電極上的釋放。因此，團隊選擇膽紅素氧化酶作為合適的生物催化材料，應用在該體系中?！ 嶒灁?shù)據(jù)分析顯示，該概念模型在光照與暗場條件下分別獲得0.34 ± 0.01 和 0.19 ± 0.02 mW cm-2的最大功率密度輸出，并且展現(xiàn)出穩(wěn)定的太陽能蓄放循環(huán)性能。此外，通過改變儲能模塊（聚吡咯電容電極）的電容量，體系充/放電時間可得到有效調控?！ ≈G色新能源發(fā)展 張鶴認為，該模型體系的建立有望實現(xiàn)太陽能蓄放體系向簡單化、小型化與低成本化發(fā)展，并且為環(huán)境友好型綠色新能源的發(fā)展提供了一條新的研究思路?！ 巴ㄟ^體系中簡單的水/氧循環(huán)，太陽能便可以在這個集成化器件中得到連續(xù)轉化、存儲與釋放，實現(xiàn)光照與暗場條件下源源不斷的電力輸出，避免了區(qū)域光照間歇性所帶來的太陽能轉化不連續(xù)問題。”張鶴介紹，這也是該研究的創(chuàng)新之處?！ ∷嘈?，在相關工業(yè)技術支持下，該模型有望在新興綠色能源器件商業(yè)化應用中得到發(fā)展?！氨热?，通過電池串聯(lián)的方式，可以實現(xiàn)小型能源器件的商業(yè)化應用，來滿足日常生活中手機充電設備、家用備用電源以及小型路燈的使用?！薄 ∠乱徊剑瑘F隊將以該研究工作為基礎模型，針對實際生產(chǎn)生活中的一些具體問題，進行體系改進與優(yōu)化，以擴大該模型的相關應用前景?！ 。ㄔd于《中國科學報》 2019-12-16 第7版 能源化工)
