制造清洁氢气可充电锌电池的新方法

导读 斯坦福大学的一个研究实验室开发了新技术来应对世界上最大的两个能源挑战 - 运输和电网规模储能的清洁燃料。研究人员在本月发表在Sci

斯坦福大学的一个研究实验室开发了新技术来应对世界上最大的两个能源挑战 - 运输和电网规模储能的清洁燃料。

研究人员在本月发表在Science Advances and Nature Communications期刊上的两项研究中描述了他们的发现。

氢燃料

氢燃料一直被吹捧为汽油的清洁替代品。汽车制造商去年开始向消费者提供氢动力汽车,但只有少数人出售,主要是因为加氢站很少而且很远。

斯坦福大学材料科学与工程学副教授易翠说:“如果价格便宜且可以广泛使用,那么数以百万计的汽车可以用清洁的氢燃料驱动。”

与排放二氧化碳(CO 2)的汽油动力汽车不同,氢汽车本身不含排放物。然而,制造氢燃料不是无排放的:今天,大多数氢燃料在将CO 2释放到大气中的过程中涉及天然气。

为了解决这个问题,崔和他的同事们专注于光伏水分解。这种新兴技术由浸入水中的太阳能电极组成。当阳光照射到电极上时,它会产生电流,将水分成其组成部分,即氢和氧。

寻找一种从水中生产清洁氢气的经济实惠的方法一直是一项挑战。由硅制成的常规太阳能电极在暴露于氧气时会迅速腐蚀,氧气是水分解的关键副产品。一些研究团队通过用铱和其他贵金属涂覆硅来减少腐蚀。

Cui和他的同事们在6月17日的Science Advances杂志上发表了一篇使用钒酸铋的新方法,这是一种廉价的化合物,能吸收阳光并产生适量的电能。

“钒酸铋被广泛认为是一种很有前途的光电化学水分解材料,部分原因在于其低成本和高抗腐蚀稳定性,”SLAC国家加速器实验室光子科学副教授崔说。“然而,这种材料的性能仍远低于其理论太阳能转氢效率。”

钒酸铋吸收光,但是电导体不良。为了承载电流,由钒酸铋制成的太阳能电池必须切成非常薄的,200纳米或更小,使其几乎透明。结果,可用于发电的可见光简单地穿过电池。

为了在太阳光逃逸之前捕获阳光,崔的团队转向纳米技术。研究人员创建了包含数千个硅纳米锥的微观阵列,每个纳米锥的高度约为600纳米。

“纳米锥结构在很宽的波长范围内都具有很好的遮光能力,”崔解释道。“每个圆锥体的形状都经过优化,可以捕获太阳光,否则它们就会穿过薄的太阳能电池。”

在实验中,崔和他的同事将纳米锥阵列沉积在钒酸铋薄膜上。然后将两层置于由钙钛矿制成的太阳能电池上,钙钛矿是另一种有希望的光伏材料。

当浸没时,三层串联装置立即开始分裂水,太阳能 - 氢转换效率为6.2%,已经与钒酸铋电池的理论最大速率相匹配。

斯坦福材料与能源科学研究所的首席研究员崔说:“串联太阳能电池持续产生超过10小时的氢气,这表明稳定性良好。” “虽然我们展示的效率仅为6.2%,但我们的串联设备在未来仍有显着改善的空间。”

可充电锌电池

在6月6日出版的Nature Communications上发表的第二项研究中,来自丰田中央研发实验室公司的访问科学家Cui和Shougo Higashi提出了一种新的电池设计,可以帮助解决电网规模储能问题。

“太阳能和风力发电场应该能够为电网提供全天候的能量,即使没有阳光或风,”崔说。“这将需要廉价的电池和其他低成本技术,足以储存剩余的清洁能源,以供按需使用。”

在这项研究中,Cui,Higashi和他们的同事设计了一种新型电池,其电极由锌和镍制成,这种廉价金属具有电网规模存储的潜力。

市场上有各种各样的锌金属电池,但很少有可再充电的,因为在充电过程中锌电极上形成称为枝晶的微小纤维。这些枝晶可以生长,直到它们最终到达镍电极,导致电池短路并失效。

研究小组通过简单地重新设计电池解决了树突问题。研究人员用塑料绝缘体将它们分开,并在锌电极的边缘周围缠绕碳绝缘体,而不是让锌和镍电极彼此面对面。

“通过我们的设计,锌离子在充电过程中会被还原并沉积在锌电极暴露的背面上,”该研究的第一作者Higashi说。“因此,即使形成锌枝晶,它们也会从镍电极上生长,不会使电池短路。”

为了证明稳定性,研究人员成功地将电池充电和放电超过800次而不会短路。

“我们的设计非常简单,可以应用于各种金属电池,”崔说.

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