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集成太陽(yáng)能液流電池的示意圖。太陽(yáng)能電池被連接到可以儲(chǔ)存電力以備后用的化學(xué)藥品罐中。
威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的化學(xué)家及其合作者創(chuàng)建了一個(gè)高效且持久的太陽(yáng)能液流電池，該電池可通過(guò)一種設(shè)備從太陽(yáng)產(chǎn)生，存儲(chǔ)和重新輸送可再生電力。
該新設(shè)備由硅太陽(yáng)能電池和先進(jìn)的太陽(yáng)能材料制成，這些材料與經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的化學(xué)成分集成在一起。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校化學(xué)系的Song Jin實(shí)驗(yàn)室制造的太陽(yáng)能液流電池，效率再創(chuàng)新高，達(dá)到20％。這是當(dāng)今使用的大多數(shù)商用硅太陽(yáng)能電池的最佳選擇，并且比以前由Jin實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能液流電池的記錄保持器高40％。
盡管太陽(yáng)能液流電池距商業(yè)化尚有數(shù)年之遙，但它們提供了為照明，手機(jī)或偏遠(yuǎn)地區(qū)家庭的其他基本用途提供可靠的發(fā)電和存儲(chǔ)的潛力。它們將將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能的光伏電池的優(yōu)勢(shì)與液流電池的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，液流電池使用可以反應(yīng)產(chǎn)生電能并由太陽(yáng)能電池充電的化學(xué)藥品罐
研究人員于 7月13日在《自然材料》雜志上發(fā)表了他們的工作。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究生李文杰是該研究的主要作者。金實(shí)驗(yàn)室與來(lái)自新南威爾士大學(xué)和澳大利亞悉尼大學(xué)，猶他州立大學(xué)，沙特阿拉伯阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)和香港城市大學(xué)的研究人員合作。
由于太陽(yáng)并不總是發(fā)光，因此存儲(chǔ)對(duì)于實(shí)用的太陽(yáng)能至關(guān)重要，特別是在陽(yáng)光充足的偏遠(yuǎn)和農(nóng)村地區(qū)，例如在美國(guó)，澳大利亞，沙特阿拉伯和非洲的遮陽(yáng)帶地區(qū)。許多太陽(yáng)能家用系統(tǒng)使用鉛酸或鋰離子電池進(jìn)行電能存儲(chǔ)。液流電池使用大容量的液體化學(xué)品儲(chǔ)罐來(lái)存儲(chǔ)能量，在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)可能會(huì)便宜一些，并且是與太陽(yáng)能電池合并的理想存儲(chǔ)選擇。
盡管太陽(yáng)能液流電池距商業(yè)化尚有數(shù)年之遙，但它們提供了為照明，手機(jī)或偏遠(yuǎn)地區(qū)家庭的其他基本用途提供可靠的發(fā)電和存儲(chǔ)的潛力。
Jin實(shí)驗(yàn)室花了多年的時(shí)間研究和改進(jìn)集成的太陽(yáng)能液流電池系統(tǒng)。在2018年，它開(kāi)發(fā)了一種使用三層高效但昂貴的太陽(yáng)能材料制成的太陽(yáng)能液流電池，整體效率達(dá)到14％。但是，腐蝕大大縮短了設(shè)備的使用壽命。
在他們的最新報(bào)告中，研究人員轉(zhuǎn)向了一種越來(lái)越流行的光伏電池材料，即鹵化鈣鈦礦。這些特殊材料的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率在10年中從百分之幾急劇增加到百分之25以上。最近的研究表明，鹵化物鈣鈦礦還可以通過(guò)捕獲來(lái)自太陽(yáng)的更多能量來(lái)提高傳統(tǒng)硅太陽(yáng)能電池的效率。
具有有機(jī)-無(wú)機(jī)鹵化物鈣鈦礦頂層和硅底層的鈣鈦礦-硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池的示意圖。
這種新型的高效鈣鈦礦硅太陽(yáng)能電池正在走向商業(yè)化。然而，硅仍然是制造能夠承受液流電池中化學(xué)物質(zhì)的穩(wěn)定設(shè)備的關(guān)鍵。
“我們?cè)O(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池的動(dòng)機(jī)是將這兩種材料結(jié)合在一起，因此我們既具有高效率又具有良好的穩(wěn)定性，” Li說(shuō)。
澳大利亞的Anita Ho-Baillie教授和博士后鄭江慧（Jianghui Zheng）制作了鈣鈦礦型硅太陽(yáng)能電池，并在硅表面上附加了一層保護(hù)層。他們將太陽(yáng)能電池運(yùn)到威斯康星州進(jìn)行測(cè)試。
為了預(yù)測(cè)液流電池應(yīng)運(yùn)行的理想電壓，Li開(kāi)發(fā)了一種新的理論建模方法。通過(guò)建模，他可以根據(jù)太陽(yáng)能電池的特性在液流電池中選擇將在理想電壓下運(yùn)行的一對(duì)化學(xué)物質(zhì)，從而最大程度地提高效率。這些化學(xué)物質(zhì)是有機(jī)化合物，而不是傳統(tǒng)的液流電池中的昂貴金屬，它們?nèi)芙庠谑秤名}的良性水溶液中，而不是強(qiáng)酸。
猶他州立大學(xué)化學(xué)教授T. Leo Liu和他的研究生提供了關(guān)鍵的匹配化學(xué)品。得益于太陽(yáng)能電池和液流電池之間的良好匹配，勝出的設(shè)備可在數(shù)百小時(shí)和數(shù)百次充放電循環(huán)中保持高效率，同時(shí)保留其大部分容量。該壽命是早期設(shè)備的幾倍?？傮w而言，新系統(tǒng)的使用壽命長(zhǎng)且效率高達(dá)20％，使其成為迄今為止最好的太陽(yáng)能液流電池裝置。
Jin表示：“您隨時(shí)可以提高20％的效率?！?“您可以在白天立即使用太陽(yáng)能，獲取20％的電量，或者您可以在晚上從存儲(chǔ)中使用太陽(yáng)能，獲取20％的電量。”
在此類(lèi)設(shè)備成為實(shí)用的可再生能源解決方案之前，仍有大量研究要做。在研究實(shí)驗(yàn)室中增加當(dāng)前小型設(shè)備的大小和規(guī)模是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。即使研究人員制造了相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的電池，但現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用仍需要更高的耐用性。Jin實(shí)驗(yàn)室在繼續(xù)開(kāi)發(fā)效率更高的太陽(yáng)能液流電池的同時(shí)，還進(jìn)行了實(shí)際的權(quán)衡以降低設(shè)備成本。
這項(xiàng)研究有一天可能會(huì)產(chǎn)生一種新的方式來(lái)收集，儲(chǔ)存和利用太陽(yáng)的能量。
“如果我們能夠做到這一點(diǎn)，我們最終的目標(biāo)是瞄準(zhǔn)太陽(yáng)能家用系統(tǒng)，”李說(shuō)?！皼](méi)有電網(wǎng)的人可以使用此設(shè)備來(lái)獲得可靠的電力?！?/p>
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