[发明专利]光电化学储能电池

说明书

本发明公开了一种光电化学储能电池，包括：正极、光阳极、正极电解液、负极电解液、负极、对电极和离子交换膜，离子交换膜用于分隔正极电解液和负极电解液，正极和光阳极共用同一个正极电解液，负极和对电极共用同一个负极电解液。本发明利用廉价的铁和碘元素作为活性物质显著降低了电池成本，并且水相电解液提高了电池的使用安全性；配体的加入调节了铁离子的氧化还原电位，从而能够使液流电池的工作电压与太阳能电池的工作电压相匹配，实现了对太阳能的直接转化与存储而不需要外部偏压；构筑光电化学储能电池能够延长在较大电流密度下放电的时间。

技术领域

本发明属于光电化学储能电池技术领域，具体来说涉及一种光电化学储能电池。

背景技术

太阳能取之不尽用之不竭，被认为是化石能源最有效的替代能源。然而，太阳能的利用受日夜更替、天气变化等环境因素的制约，将太阳能转化为方便利用的电能引起了研究人员的广泛关注。使用外电路将太阳能电池与锂电池连接是一种简单直接的太阳能利用方式，并在近几年里被国内外课题组集中报道(Nat.Commun.6,8103,(2015).Adv.EnergyMater.7,1602105,(2017).)。但是，在这种储能系统中要重点考虑太阳能电池和二次电池两部分在工作电压和工作电流上的匹配性，最终导致储能系统额外消耗大量能量，并且存在成本高昂、结构复杂等问题。

将光伏电池或者光阳极与二次电池集成到同一个储能系统中制备得到光电化学储能电池，可以有效降低储能系统的结构复杂度。Guo等人提出了基于染料敏化太阳能电池和锂离子电池的新型集成电源系统，但是电池总体放电容量表现较低，仅为38.89μA h(Nano letters,2012,12(5):2520-2523.)。另外，由于太阳能光伏电池的电压较低，仅靠单一的光伏电池不能直接对二次电池充电，往往需要串联几个太阳能电池才能满足锂离子电池的充电电压，这就增加了电池系统的成本、体积和降低了便携性。中国专利110676338A公开了一种光充电二次电池的设计，该电池体系将半导体作为光电极内置到二次电池体系中，这种设计结构相对简单，以固体硫或多硫离子溶液作为正极，锂金属作为负极，在光照条件下，电池的充电电压由原来的2.48V下降到1.87V，可见光电极提供的光电压与二次电池的工作电压不匹配，只能提供一部分的充电电压。另外，电池体系的锂金属电极以及有机体系电解液的使用，增加了电池的成本。高学平等人提出了一种可直接充电的氧化还原液流电池，以染料敏化的二氧化钛作为光电极，以Li₂WO₄作为负极活性物质，LiI作为正极活性物质，成功的将二次电池工作电压调控至与光阳极工作电压相匹配。该电池在光照10min后，以0.075mA cm^-2的电流密度放电，放电时间约持续4min，放电容量较低。另外由于正极采用的有机体系，导致成本增加，安全性降低(Journal of materials chemistry A,2013,1(24):7012-7015)。

基于以上的分析，构建一种低成本和安全性好的能够直接能够实现对太阳光的转化与存储的光充电二次电池储能体系仍需要进一步研究。现有的光充电二次电池体系主要存在以下问题：光伏电池与二次电池在工作电压的匹配性差，不能实现对太阳能的直接转化与存储。所构筑的光充电二次电池体系仅依赖单一的光电极吸光提供充电的驱动力，因此要重点考虑太阳能电池和二次电池两部分在工作电压和工作电流上的匹配性；电池体系中材料的价格昂贵导致的电池成本提高，如有机电解液的使用、金属锂的使用；放电容量较低，远远不能满足太阳能大量存储的需求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种光电化学储能电池，该光电化学储能电池结合太阳能电池和液流电池的优点，通过光阳极利用太阳能直接对正极电解液和负极电解液进行充电，将太阳能转化为化学能，以电解液的形式储存在储液罐中，随时通过液流电池将其以电能的形式输出。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。