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全天候储能:新型太阳光电化学电池

导读: 传统太阳能电池往往只有在白天时,才能快速将所吸收到的太阳光转换为电能,除了在天黑时无法发电外,太阳能电池本身也无法储存白天所产生的多余电力。不过,科学家研发出一种新的太阳光电化学电池(PEC),其光化学能转换不受限于白天或黑夜,可全天候且有效率的储存电能。

传统太阳能电池往往只有在白天时,才能快速将所吸收到的太阳光转换为电能,除了在天黑时无法发电外,太阳能电池本身也无法储存白天所产生的多余电力。不过,科学家研发出一种新的太阳光电化学电池(PEC),其光化学能转换不受限于白天或黑夜,可全天候且有效率的储存电能。

太阳光电化学电池(PEC)经光线照射后,若光的能量大于其本身的电子能隙,就能将其价带中受到束缚的电子,激发到传导带,进而将吸收到的太阳光转换为电能,此外,太阳光电化学电池还能透过太阳辐射直接分解水制氢,其特性使太阳能可在智能电网中发挥更大作用,也因此让太阳光电化学电池格外受到瞩目。

但目前的 PEC 电池并不能有效储存电能,电子很容易就变回低能量状态,也就是说,若阳光充足、其他类型的太阳能电池正在全速产生能量的同时,PEC 电池却只能以效率较低的方式,发挥其相当微量的价值。

不过,美国德州大学阿灵顿分校(University of Texas at Arlington)材料科学及工程系助理教授 Fuqiang Liu 及其团队研发出一种新型 PEC 电池,其光电极(将入射的光子转换为电子)的设计不同于以往的 PEC 电池,光电极混合三氧化钨及二氧化钛,可有效地长时间储存电子。

除了特殊设计的光电极外,该系统还包括全钒氧化还原液流电池(VRB),其为一种蓄电池,利用钒离子在不同氧化态下的不同化学势能保存能量。钒液流电池能量转换效率可高达 75% 以上,且虽然能量密度较低,但比锂电池安全,即使正负极电解液混合也不会产生危险反应。

其他特性包括几乎不受温度限制,以及其容量大小取决于电解液,只要增加电解液的体积,就可增加钒液流电池的电量,功率最大值甚至可达 GW。此外,钒液流电池只有在使用时电解液才会循环,充放电时不像其他电池常有物相变化,可深度放电而不损伤电池,因此电池使用寿命较长。

研究人员表示,钒液流电池与 PEC 电池的混合电极配合得相当好,因此研究人员能大幅提高电流,让电池具有高可逆性(95% 的法拉第电流效率)与高容量的能量储存,并证明了在该电池中“太阳能与电子能同时进行可逆储存”,让储能效率提高许多。团队目前正建立更大的系统原型,希望能透过这项技术,让 PEC 电池更能有效运用于智能电网中。

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