石墨烯在光伏電池與燃料電池應(yīng)用中受青睞！

來(lái)自歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃的第九工作組致力于開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)路線，使以石墨烯為基礎(chǔ)的材料未來(lái)可以應(yīng)用于一些能量轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)設(shè)備上，例如光伏電池與燃料電池。

鈣鈦礦型光伏電池與染料敏化太陽(yáng)能電池

加入石墨烯的鈣鈦礦型光伏電池是第九工作組的核心課題。這種太陽(yáng)能電池含有一種具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的化合物，用于進(jìn)行光捕獲。鈣鈦礦是指一類(lèi)陶瓷化合物，結(jié)構(gòu)通式為ABX3。在鈣鈦礦型太陽(yáng)能電池中，使用石墨烯或其他2D材料作為透明電極，來(lái)取代常用的氧化銦錫薄膜(ITO，indium tin oxide)，在提高設(shè)備效率的同時(shí)大大降低了制造費(fèi)用。除石墨烯之外，適合的2D材料還包括二硫化鉬、二硫化鎢和二硒化鎢。鈣鈦礦技術(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)在于，它可以部分降低濕法工藝的費(fèi)用。這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)也使得一些問(wèn)題得以解決，例如長(zhǎng)時(shí)間輻射下太陽(yáng)能電池穩(wěn)定性的降低。

來(lái)自羅馬Tor Vergata大學(xué)的第九工作組科研人員Aldo di Carlo重新回到鈣鈦礦型光伏電池的制造全過(guò)程，嘗試把石墨烯及相關(guān)材料集成到電池的不同元件中。尋常的實(shí)驗(yàn)方法卻獲得了超出期待的結(jié)果，研究人員觀察到，具備石墨烯功能化構(gòu)件的太陽(yáng)能電池在性能上得到了明顯改善。

Di Carlo以及他的學(xué)院給大家展示了石墨烯和相關(guān)材料添加劑的作用，一方面，通過(guò)電池兩極更高的光載體運(yùn)輸速率提高了光子轉(zhuǎn)化效率，另一方面，太陽(yáng)能電池的穩(wěn)定性也得到了改善。另外，染料敏化太陽(yáng)能電池中鉑修飾的對(duì)電極費(fèi)用昂貴，基于此，研究人員闡述了使用石墨烯取代它的可能性。這將使太陽(yáng)能電池的制造更加簡(jiǎn)單、更加可持續(xù)。

鋰氧電池

劍橋大學(xué)的化學(xué)家近期向媒體高調(diào)宣布了在鋰氧電池發(fā)展領(lǐng)域中的一項(xiàng)突破性進(jìn)展，發(fā)表在Science期刊的文章也闡述了石墨烯如何改善鋰氧電池的容量、能效以及穩(wěn)定。這種新型鋰氧電池的理論能量密度是目前廣泛應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備中的鋰離子電池能量密度的十幾倍。

與目前最先進(jìn)的可再充電電池相比，鋰氧電池具有非常明顯的優(yōu)點(diǎn)。但在大功率應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)目前可行的具有選擇性的技術(shù)之前，鋰氧電池的發(fā)展仍頗具挑戰(zhàn)。劍橋的研究人員在鋰氧示范電池中使用了一種多孔的石墨烯電極，取代了常用的石墨電極。

劍橋大學(xué)研發(fā)的鋰氧電池與之前的無(wú)水鋰空氣電池在化學(xué)機(jī)制方面有很大的不同。因?yàn)榧尤肓说饣?，鋰氧電池中化學(xué)反應(yīng)明顯較低，而這些化學(xué)反應(yīng)會(huì)使電池退化。所以劍橋大學(xué)研發(fā)的電池在多次充電和放電循環(huán)中展示了更好的穩(wěn)定性。研究者已經(jīng)將充電與放電的壓差降低到0.2伏特，而壓差越小，電池的能效越高。早前在鋰空氣電池上的嘗試只把壓差控制在0.5到1.0之間，然而0.2伏特更接近于鋰離子電池的壓差值，能效為93%。

項(xiàng)目組領(lǐng)頭人Clare Grey說(shuō)：“我們得到的實(shí)驗(yàn)成果無(wú)疑對(duì)這項(xiàng)技術(shù)是一個(gè)巨大的推動(dòng)，雖然我們還未解決所有化學(xué)方面固有的問(wèn)題，但我們的結(jié)果為實(shí)際中電池設(shè)備的向前發(fā)展指明了方向。”Grey小組的鋰氧電池技術(shù)已經(jīng)取得了技術(shù)專(zhuān)利，而且將通過(guò)劍橋大學(xué)旗下的商務(wù)部門(mén)劍橋企業(yè)做進(jìn)一步的推廣。