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新策略為電池帶來新趨勢！綠色環保必將是電池、儲能的未來發展道路
2022年03月22日 10:39:52
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：6095
“環保”已然成為了當下最流行的詞匯。環保的核心是“新能源”，而新能源的核心則是電池。
【化工儀器網 行業百態】電池在我們的日常生活中幾乎無處不在。近年來，各種電池的發展都相當迅速，例如鋰電池、氫燃料電池、太陽能電池等，越來越多的新材料體系不斷成熟，硅碳負極、復合隔膜、新型鋰鹽、石墨烯導電劑等新型材料也更多的進行產業化應用，但無疑都是與環保能源緊密相連。“環保”已然成為了當下最流行的詞匯。環保的核心是“新能源”，而新能源的核心則是電池。
儲能電池發展潛力巨大，但由于成本、技術、政策等原因仍處于市場導入階段，相對于動力電池增長滯后，并且目前電池產品傳統的制造工藝、分散訂單發展模式等很難滿足電池市場的高質量、一致性要求。只有瞄準高精度、高穩定性、全自動化、智能化、綠色環保的生產線制造方式，才能適應新市場。
全新策略提升鈣鈦礦太陽能電池穩定性
鈣鈦礦是一種具有與礦物鈣鈦氧化物相同的晶體結構的材料。這些元素的原子非常適合與作為半導體材料的其他原子形成分子，這些半導體材料的電子可以被光能激發并沿著電線引導以產生電。鈣鈦礦太陽能電池就是利用這種有機金屬鹵化物半導體作為吸光材料的太陽能電池。
鈣鈦礦結構的材料是近年來興起的新型太陽能電池材料，其光電轉化效率高、制作工藝簡單、生產成本和材料成本低。其核心光電轉換材料具有廉價、可溶液制備的特點，便于采用不需要真空條件的卷對卷技術制備，比傳統的硅電池更易生產。鈣鈦礦太陽能電池經過十幾年發展已成為一種極具商業潛力的光伏技術，目前其光電轉換效率達到商業化晶硅電池的水平，大面積制備技術路線也日漸成熟。然而，鈣鈦礦太陽能電池容易在陽光直射下，性能會隨著時間的流逝而退化，其較差的穩定性仍然是制約其商業化的主要問題。
加州大學洛杉磯分校楊陽課題組與西湖大學工學院王睿課題組以及成均館大學Jin-Wook Lee課題組合作，通過對傳統的表面處理策略所導致的能級不匹配問題進行了深入探索，發現盡管表面處理材料中的有機陽離子可以實現有效的表面缺陷鈍化，但被忽視的鹵素陰離子會導致表面電勢的改變，從而對長期穩定性存在不利影響。科研團隊對此設計了全新的表面處理策略，他們通過引入有機陰離子替換鹵素陰離子，減少了表面電勢的偏移。
該方案實現了具有高光電轉換效率，是一種長期穩定性的鈣鈦礦太陽能電池。在經過2000小時全天候加速光照測試后，鈣鈦礦電池仍然保持著超過87%的原始光電轉換效率。相比之下，在同樣條件下，經歷相同時間后，未經處理的太陽能電池性能下降到原來的65%。
這項研究為鈣鈦礦太陽能電池技術商業化和廣泛采用奠定了基礎。作為目前主流的光伏技術，晶硅光伏發電效率已越來越接近極限。而鈣鈦礦太陽能電池的使用低成本、工藝相對容易制造和沉積到表面上高功率轉換效率的潛力可調諧帶隙，意味著其生產所需的材料比硅電池少20倍，并且不使用稀土金屬，與傳統太陽能電池相比，制造過程的能源密集程度要低很多。在技術的不斷開發和完善下，鈣鈦礦太陽能電池展現出其在未來光伏領域中的巨大潛力。
為能源催化轉化、燃料電池領域提供新角度
現代工業快速發展的同時也帶來了日益嚴峻的能源和環境問題，可持續能源的應用為這兩大問題的解決帶來了新的機遇，而發展高效廉價的催化劑對能源轉化來說至關重要。其中，像是電解水裝置、氫能燃料電池及金屬-空氣電池備受關注。
然而，這些裝置所涉及到的陰極反應，如氧化還原反應都較為緩慢，雖然采用貴金屬作為催化劑可以有效地加速這些反應進程以提高上述裝置的工作效率，但造成的高成本問題卻又嚴重制約了這些裝置的實際運用，因此，開發高活性及高穩定性的低成本非貴金屬催化劑被認為是推進上述能源轉換裝置的產業化應用的關鍵。
碳基單原子催化劑是一種新穎、低成本并且高性能的催化劑，在電化學能量轉換與催存中有著重要的作用。碳基過渡金屬單原子催化劑(M-N-C)其本身就具有元素利用率高、本征活性強、相對貴金屬廉價和豐富的優勢，在電催化氧還原等領域展現出了廣闊的應用前景。但如今，M-N-C催化劑面臨著在堿性、酸性環境中穩定性欠佳、單原子活性位點暴露比例較低的瓶頸問題，其主要是由于常規熱解方法處理碳氮前驅體構筑的M-N-C催化劑碳基底中的孔道結構普遍以微孔為主，極易造成活性位點暴露受限和電解液深入擴散受阻，影響了傳質和催化效率。
近日，中科院青島生物能源與過程研究所的研究員們為了構筑性能優良、穩定性突出的氧還原催化劑，在前期生物質衍生鐵-氮-碳，金屬框架聚合物形貌結構調整以及碳載鉑基合金納米催化劑材料制備的基礎上，通過巧妙設計，開發了一種非常簡易有效的利用有機弱酸鹽輔助熱解策略，來同時提升最終鐵-氮-碳催化劑中介孔分布和鐵單原子含量。這種策略能夠有效實現該絡合物的原位包覆，并且這種催化劑0.67V的堿性環境下運行90小時后活性依然能夠保持90%以上，顯著優于文獻中普遍報道的10小時就會出現明顯衰減的現象，在鋅空燃料電池中也取得了良好應用效果。
為了能夠繼續提升過渡金屬單原子催化劑的應用范圍和促進鉑基材料氧還原催化效率，研究組進一步設計開發了一種利用陽離子表面活性劑絡合氯鉑酸鹽，并將其在聚合物合成過程中原位植入到低鈷沸石咪唑酯骨架材料中。再結合優化的原位還原與合金化處理策略，可以獲得過渡金屬鈷單原子載體負載的具有Co-N-C包覆層的Pt3Co和鈷納米顆粒雜化結構。
該策略可以實現鉑在聚合物中的高度均勻分散，并且能夠有效緩解因高溫發生的快速遷移和聚集長大，為在強腐蝕環境下延長穩定性提供結構保障。該研究工作為合成具有碳包覆鉑基納米顆粒結構材料和同時具有鉑基組分、過渡金屬單原子活性組分的新型高效催化劑提供了新思路，為探索在能源催化轉化、燃料電池應用等領域的研究提供了新角度，同時也為電池壽命大幅提升提供了條件。
隨著國家頒布了以綠色、節能為導向的行業發展政策之后，碳中和、碳達峰再次成為被狙擊的對象。重要的是，這項“國策”級別的政策，已經將新能源汽車和儲能被列為新興產業，國家的發展側重徹底明了，一些相關利好政策也將逐步出臺，未來應用領域電池應用的空間會越來越大，小到穿戴設備，達到航天航空高科技，都會配套電池的使用。
(資料來源：科技日報、中國科學報、知網)
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