[发明专利]一种太阳能辅助节能充电型有机锂硫电池

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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.Nano Lett.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技术领域显示出广阔的应用前景。锂硫电池的理论比容量高达1675mAh g^-1，构成的锂二次电池体系理论比能量密度可达2600Wh kg^-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Li_1.35Ti_1.75Al_0.25P_2.7Si_0.3O₁₂(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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案是：

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。