一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池制造技术

本发明专利技术涉及太阳能至电能的转化和存储领域，具体为一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池。太阳能辅助充电有机锂硫电池包括固体硫或多硫离子溶液正极、锂负极及半导体光电极。在光照充电时，半导体光电极受光激发产生光生电子和空穴，价带中空穴将多硫离子氧化，而光生电子将通过外电路还原金属锂，光电极产生的光电压部分补偿充电电压，降低充电电压，实现节省电能的目的，同时实现太阳能至电能的转化存储。本发明专利技术提出一种高效稳定的太阳能可充电锂硫电池，制备方法简单、工艺条件温和，成本低，满足工业生产要求。

A solar assisted energy-saving rechargeable organic lithium sulfur battery

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池
本专利技术涉及太阳能至电能的转化和存储领域，具体为一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池。
技术介绍
太阳能的高效存储与利用是缓解当前全球所面临的能源危机和环境污染问题的有效途径之一。构建高效的太阳能可充电电池是储能领域发展的新趋势。太阳能充电型锂离子电池根据构建模式分为两种：1)光伏电池集成式电池，将光伏电池(包括染料敏化太阳能电池或钙钛矿太阳能电池)集成到传统锂离子电池或电容器中，在光照过程中，光伏电池将太阳能转化为电能为电池或电容器充电。目前报道的此类器件放电容量较低，如：Guo等[12]报道的光可充电电池的放电容量仅为～38.89μAh，远达不到商业化锂离子电池容量水平，也不能满足太阳能大量存储的需求(W.X.Guo,X.Y.Xue,S.H.Wang,C.J.Lin,Z.L.Wang.NanoLett.2012,12,2520)。此外，由于太阳能光伏电池的电压低，为满足锂离子电池的充电电压，往往需要串联4～10个太阳能光伏电池，增加了器件的重量而降低便携性，同时也会增加器件的技术难度和加工成本；2)光电极植入式电池，美国Yu等构筑了光电极植入式新型的太阳能辅助充电电池，其结构相对于前者更为简单(M.Z.Yu,X.D.Ren,L.Ma,Y.Y.Wu._Nat.Commun.2014,5,5111)。将具有合适带边位置的半导体光电极植入到电池体系中，在光照时，光电极吸收能量高于带隙的光子，将价带中电子激发至导带，在价带中产生空穴。价带中空穴扩散到材料表面将吸附在材料表面的正极材料氧化，而导带上的电子在电压辅助下，通过外电路扩散至负极将负极材料还原。在此过程中，光电极产生的光电压将补偿部分充电电压，从而降低充电电压。通过简单引进光电极可以节省电池充电时电能的输入，间接实现了太阳能至电能的转化与存储，为设计发展新型高效太阳能可充电电池提供了新的思路。锂硫电池是一类极具发展前景的新型高容量储能体系，具有理论能量密度高、成本低、绿色环保等突出优点，在新能源汽车用动力电池等新兴
显示出广阔的应用前景。锂硫电池的理论比容量高达1675mAhg-1，构成的锂二次电池体系理论比能量密度可达2600Whkg-1，是目前商业化锂离子电池的3～5倍，因此开发太阳能可充电的锂硫电池是实现太阳能大量转化存储的有效手段。经过认真分析国内外相关领域的研究进展，至今关于太阳能充电的锂硫电池的研究很少，仅有的报道是我们前期提出可转换和存储太阳能的双液锂硫电池。但该电池在光照充电时光生电子不是转移至负极将锂离子还原为金属锂，而是将质子还原为氢气，来实现太阳能至化学能的转化存储，导致储存太阳能的同时不断消耗金属锂。此外，双液体系需要Li1.35Ti1.75Al0.25P2.7Si0.3O12(LATP)陶瓷隔膜隔绝水系正极和有机系负极，存在高成本和安全隐患问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，通过将半导体光电极植入到锂硫电池的正极中构建太阳能辅助充电型有机锂硫电池，以实现太阳能在锂硫电池中的大量存储。本专利技术的技术方案是：一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，以金属锂作为负极，固体硫或多硫离子溶液作为正极，光电极是半导体光电极材料，含锂盐的醚类溶液作为电解液，构成太阳能辅助节能充电有机锂硫电池。所述的太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，正极为固体硫、硫化锂、Li2Sn(1<n<8)或其复合材料。所述的太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，正极复合材料包含碳材料、有机聚合物或过度金属硫化物材料。所述的太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，电解液为含双三氟甲烷黄酰亚胺锂的有机醚类电解液，双三氟甲烷黄酰亚胺锂的摩尔浓度为1～10M，有机醚类包括乙二醇二甲基醚、二甲基亚砜、四氢呋喃、二氧五环或四乙二醇二甲醚。所述的太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，光电极材料为ZnS、CdS、C3N4、SrTiO3或TiO2。所述的太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，光电极基地材料为Ti、Al、Cu、ITO或FTO。本专利技术的设计思想是：本专利技术首先是通过太阳能辅助节省锂硫电池充电所需电能，在光照充电时，半导体光电极受光激发产生光生电子和空穴，价带中空穴扩散到半导体表面将S2-(或S42-)离子氧化为多硫离子，而光生电子在外电压辅助下，通过外电路扩散至锂负极将锂离子还原为金属锂。在此过程中，半导体光电极受光激发产生的光生电压将部分补偿充电过程的电压，节省充电时所需电能，间接实现太阳能的转化存储。本专利技术的优点及有益效果是：1、本专利技术重点在于通过将光电极引入到传统锂硫电池正极中，来节省锂硫电池充点电能，在光照充电时，半导体光电极受光激发产生光生电子和空穴，价带中空穴将多硫离子氧化，而光生电子将通过外电路还原金属锂，通过简单引进光电极可以节省电池充电时电能的输入，为设计发展新型高效太阳能可充电电池提供参考。2、本专利技术在大规模储能器件锂硫电池中实现太阳能的直接转化和存储，为新型可再生能源的合理利用提供指导。附图说明图1.太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池结构示意图。图2.ZnS基光辅助充电电池的光辅助充电和电化学充电对比曲线，其中：曲线1代表电化学充电(Electrochemicalcharge)曲线，曲线2代表光充电(Photo-assistedcharge)曲线；图中，横坐标Time代表时间(min)，纵坐标Voltage代表电压(V)。图3.ZnS的扫描(SEM)图片。图4.ZnS的XRD图片。图中，横坐标2θ代表衍射角(degree)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)，SphaleriteZnS代表闪锌矿，WurtziteZnS代表纤锌矿。图5.SrTiO3的XRD图片。图中，横坐标2Theta代表衍射角(°)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。图6.碳纸上生长TiO2纳米片的SEM图片。图7.碳纸上生长TiO2纳米棒的SEM图片。图8.钛网上生长TiO2纳米管的SEM图片。图9.以SrTiO3作为光电极时，ZnS基光辅助充电电池的光辅助充电和电化学充电对比曲线，其中：曲线1代表TiO2纳米棒模板光充电曲线，曲线2代表TiO2纳米片模板光充电曲线，曲线3代表电化学充电曲线。图中，横坐标Time代表时间(min)，纵坐标Voltage代表电压(V)。具体实施方式在具体实施过程中，本专利技术为一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，包括固体硫或多硫离子溶液正极、锂负极及半导体光电极，通过将半导体光电极植入到锂硫电池的正极中构建太阳能辅助充电型有机锂硫电池，以实现太阳能在锂硫电池中的大量存储。在光照充电时，半导体光电极受光激发产生光生电子和空穴，价带中空穴扩散到半导体表面将S2-(或S42-)离子氧化为多硫离子，而光生电子在外电压辅助下，通过外电路扩散至锂负极将锂离子还原为金属锂。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，其特征在于，以金属锂作为负极，固体硫或多硫离子溶液作为正极，光电极是半导体光电极材料，含锂盐的醚类溶液作为电解液，构成太阳能辅助节能充电有机锂硫电池。/n

【技术特征摘要】
1.一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，其特征在于，以金属锂作为负极，固体硫或多硫离子溶液作为正极，光电极是半导体光电极材料，含锂盐的醚类溶液作为电解液，构成太阳能辅助节能充电有机锂硫电池。


2.按照权利要求1所述的太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，其特征在于，正极为固体硫、硫化锂、Li2Sn(1<n<8)或其复合材料。


3.按照权利要求2所述的太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池，其特征在于，正极复合材料包含碳材料、有机聚合物或过度金属硫化物材料。


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【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，王艳君，王悦岚，孙旭东，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21