鋰離子電池、燃料電池和太陽能電池有什么區(qū)別？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-01 15:39
點(diǎn)擊量：次
在低溫質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池商業(yè)化的道路上，燃料電池的持久性和成本是兩個(gè)主要挑戰(zhàn)，其中降低膜電極組件(MEA)中的貴金屬含量能夠直接提高電池的成本效益，但也會(huì)影響電池的性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在工作過程中，由于負(fù)荷循環(huán)鉑催化劑的電化學(xué)活性表面積(ECSA)會(huì)損失，負(fù)載循環(huán)引起電極電位的變化會(huì)導(dǎo)致鉑的溶解和粒子的長(zhǎng)大，也因此降低了燃料電池的性能。在氫/空氣氣氛下進(jìn)行電壓循環(huán)的過程中膜電極組件會(huì)發(fā)生分解，本工作用各種電化學(xué)表征技術(shù)測(cè)量了組件分解對(duì)燃料電池性能的影響。在低電流密度下電化學(xué)活性表面積的損失與動(dòng)態(tài)電壓損失相關(guān)；在高電流密度下與氧遷移限制的損耗有關(guān)，并且研究發(fā)現(xiàn)氧的傳輸電阻與歸一化的表面積成反比。該工作進(jìn)一步用電子顯微鏡觀察了由于電壓循環(huán)引起的催化劑層結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化，提出了一種用透射電鏡計(jì)算衰減樣品鉑含量變化的新方法。
2.通過超薄等離子體聚合物的包覆用于提升鈣鈦礦型太陽電池的防潮抗?jié)衲芰?/strong>
雜化有機(jī)−無機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦太陽電池的功率轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性是處于折衷地位的，同樣地這也是其應(yīng)用于戶外光伏和成功商業(yè)化的必要條件。本工作提出了一種利用超薄等離子體聚合物封裝鈣鈦礦太陽電池用以提高其在暴露水中和潮濕條件下穩(wěn)定性的方法，并在室溫下通過遠(yuǎn)程等離子體真空沉積金剛烷粉進(jìn)行了聚合物的沉積。這種封裝方法不影響被測(cè)器件的光伏性能而且能與任何化學(xué)成分和器件結(jié)構(gòu)都兼容。在相對(duì)濕度(RH)為35−60%的環(huán)境條件下放置30天后，封裝的鈣鈦礦薄膜的吸光度幾乎保持不變；當(dāng)空氣非常潮濕時(shí)(RH>85%)，封裝器件光伏性能的快速衰減也明顯滯后；其中更重要的是，封裝的太陽能器件浸泡在液態(tài)水中時(shí)，器件光伏性能的下降也明顯滯后，光伏性能至少在前60秒內(nèi)沒有受到影響。而且本工作已經(jīng)有可能測(cè)量在水中運(yùn)行的封裝器件的功率轉(zhuǎn)換效率，該方法也為開發(fā)穩(wěn)定的光伏和光催化鈣鈦礦器件開辟了一條新的方向。
3. Na1.25Ni1.25Fe1.75(PO4)3納米粒子作為鋰離子電池的雙電極材料
磷酸鐵基材料作為鋰離子和鈉離子電池的正極材料已經(jīng)得到了廣泛的研究，目前作為負(fù)極材料的應(yīng)用也越來越受到人們的關(guān)注，雖然它們主要是由固相法合成但是各種合成技術(shù)的探索表明，濕化學(xué)法制備的粉體形貌較小，粒度較小。其中納米粒子在催化劑、醫(yī)藥、化學(xué)傳感器、能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能系統(tǒng)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，通過簡(jiǎn)單的優(yōu)化合成條件可以得到性能優(yōu)良的納米材料，減小顆粒尺寸是提高納米材料性能的主要策略之一，納米粒子由于其高比表面積在提高電化學(xué)性能方面有獨(dú)特的作用，因此也可應(yīng)用于儲(chǔ)能材料的。本工作采用溶劑熱法制備了一種用于鋰離子電池的新型電極材料——Na1.25Ni1.25Fe1.75(PO4)3納米顆粒，該材料的主要優(yōu)點(diǎn)是其具有雙電化學(xué)性能(正負(fù)電極)且電化學(xué)性能高，原料資源豐富，成本低，環(huán)境相容性好，熱穩(wěn)定性好，安全性高，理論比容量較高。通過表征和測(cè)試得到了結(jié)構(gòu)式□0.75 Na1.25Ni1.25Fe1.75(PO4)3，表明材料結(jié)構(gòu)中有大量的Na空位，從而提高的了Li離子的擴(kuò)散能力。Na1.25Ni1.25Fe1.75(PO4)3同時(shí)作為負(fù)極和正極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在0.03-3.5 V的電壓范圍內(nèi)，首次放電的電流密度為40 mA/g時(shí)比容量可達(dá)1186 mAh/g，幾乎是理論容量(428 mAh/g)的3倍；當(dāng)電流密度為50 mA/g時(shí)，循環(huán)測(cè)試350圈可逆電容為550 mAh/g。作為正極材料時(shí)，在1.5~4.5 V的范圍內(nèi)比電容可達(dá)145 mAh/g和99 mAh/g（電流密度分別為5 mA/g和50 mA/g）。另外，本工作證實(shí)通過溶劑熱法合成有助于合成小顆粒電極材料，從而有利于獲得更優(yōu)異的電化學(xué)性能。
4.表面保護(hù)的LiCoO2超薄固體氧化物電解質(zhì)膜應(yīng)用于鋰離子電池和鋰聚合物電池
鋰離子電池具有高容量能量密度和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)并且推動(dòng)了便攜式電子設(shè)備的革命，雖然鋰離子電池能夠滿足許多電子產(chǎn)品的需求，但5G移動(dòng)終端等新應(yīng)用則需要更高的能量和功率密度的電極材料。其中，LiCoO2材料最初由Goodenough教授首次發(fā)現(xiàn)并且以其體積能量密度高、倍率性能好、循環(huán)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)在商用用鋰離子電池正極材料中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，對(duì)于使用非水液體電解質(zhì)的電池來說，陰極和電解質(zhì)之間的副反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和電化學(xué)穩(wěn)定性迅速惡化，LiCoO2電極材料則表現(xiàn)為過渡金屬離子(Co3+)的溶解和放電容量的急劇衰減。因此，提高LiCoO2電極材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于抑制LiCoO2表面強(qiáng)烈的氧化性能。本工作通過溶液法和低溫?zé)崽幚矸ㄖ苽淞艘环N高性能LiCoO2包覆Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3（LATP）的連續(xù)致密超薄薄膜，并對(duì)LiCoO2修飾改性的LATP表面性能進(jìn)行了表征，對(duì)其在半電池中的循環(huán)性能進(jìn)行了測(cè)試。透射電子顯微鏡（TEM）圖像表明，涂層表面覆蓋的LiCoO2均勻小于20 nm，證明其可以防止陰極和電解質(zhì)之間的直接接觸，從而有效抑制液體電解質(zhì)與LiCoO2在高充電電壓下的表面副反應(yīng)。XPS測(cè)試表明在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)過程中，CO3+的溶解已經(jīng)很大程度上被抑制，由于這種表面鈍化特性，在以聚環(huán)氧乙烷為基的全固體鋰電池中對(duì)0.5 wt%修飾改性的LiCoO2的電化學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，在充電斷電電壓為4.2V時(shí)電池的初始放電容量保持了93%，結(jié)果表明，LiCoO2修飾改性的LATP涂層能有效地抑制PEO在高壓下的氧化。
5. 含LiF添加劑的5V LiCoMnO4尖晶石的熱穩(wěn)定性
為了滿足未來能源技術(shù)的要求如在電移動(dòng)領(lǐng)域，鋰離子電池需要更高的能量密度，以含鎳、鈷或鐵取代錳的LiMn2O4尖晶石為基礎(chǔ)的尖晶石陰極材料由于其高的氧化還原電位和能量密度而受到關(guān)注。然而，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明陰極材料存在容量低、循環(huán)穩(wěn)定性差和電池衰減快等問題。為了提高其循環(huán)穩(wěn)定性和可逆性容量，通常有效地措施是在單位材料中加入0.1 mol氟用于氟化。然而高溫條件下選用LiF進(jìn)行氟化作用仍然是有爭(zhēng)議的，使用LiF作為燒結(jié)添加劑有助于保持在較低的加工溫度下實(shí)現(xiàn)高密度材料的制備。在本研究中，研究者們系統(tǒng)地研究了以1 wt.-%LiF為添加劑的加熱過程中的穩(wěn)定性，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜測(cè)試700、800、900和1000°C熱處理樣品分析得到了的陽離子含量，惰性氣體熔合氧和氟含量的核反應(yīng)，結(jié)果表明樣品的化學(xué)成分除氧以外保持不變。通過監(jiān)測(cè)LiCoMnO4在添加氟和不加氟的情況下從室溫至950℃的熱分解過程，進(jìn)一步研究了加熱和冷卻過程中相變過程。對(duì)于添加LiF的樣品，LiCoMnO4的分解產(chǎn)物L(fēng)i2MnO3的形成是由于LiF的過量加入而加速產(chǎn)生的，即尖晶石相的穩(wěn)定性由于鋰的供應(yīng)而降低。由于Li2MnO3的生成消耗了鋰，并且氟仍然存在于樣品中，研究者們還提出氟陰離子在LiF和LiCoMnO4的共同加熱過程中會(huì)與尖晶石或Li2MnO3相結(jié)合。
