顯微圖片顯示，具有納米結(jié)構(gòu)的粉狀材料（右圖）可以增強(qiáng)導(dǎo)電性。
計(jì)算機(jī)模擬的“硅BC8”納米粒子結(jié)構(gòu)。
美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員近日開發(fā)出一種固態(tài)電解質(zhì)，可以使鋰離子電池的儲(chǔ)能量比現(xiàn)有水平高出5到10倍，也可以降低因液態(tài)電解質(zhì)帶來的易燃性。
在儲(chǔ)能電池中，電解質(zhì)的作用是讓電流流過電池。即使是目前相對(duì)安全的鋰離子電池，也在使用具有易燃性的液態(tài)電解質(zhì)。盡管前段時(shí)間的波音787起火事件的原因尚未確定，但也不難讓人聯(lián)想到罪魁禍?zhǔn)拙褪请姵亍?
以往的固態(tài)電解質(zhì)雖然安全性更高，但其導(dǎo)電性很難滿足電池的使用要求。研究人員通過改變固態(tài)電解質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)解決了這一難題。并將研究結(jié)果發(fā)表在最新的《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)刊》上。
據(jù)了解，改良后的納米結(jié)構(gòu)使材料的導(dǎo)電性提高了1000倍，足以在鋰離子電池中使用。同時(shí)，這種新材料與高能電極之間能夠相容。
為了避免固態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電性不如液態(tài)電解質(zhì)，研究人員還將其做得極薄，來彌補(bǔ)差距。盡管在充電速度上尚不如液態(tài)電解質(zhì)，但在許多應(yīng)用項(xiàng)目上導(dǎo)電性略差并不是問題。
固態(tài)電解質(zhì)不僅避免了可燃的缺點(diǎn)，也讓電池可以使用能量更高的電極材料。這樣既可以使儲(chǔ)能總量提高很多，也可以減少電池體積。在飛機(jī)上使用可以節(jié)約空間，降低負(fù)重，還能極大降低成本。
通過實(shí)驗(yàn)顯示，固態(tài)電解質(zhì)極其適合鋰硫電池使用。傳統(tǒng)鋰硫電池雖然儲(chǔ)電量大，但鋰金屬電極可能導(dǎo)致短路或起火，硫電極在液態(tài)電解質(zhì)中容易分解，其充電次數(shù)、使用壽命和安全都存在隱患。但固態(tài)電解質(zhì)可以穩(wěn)定鋰金屬，起到屏障作用以防止短路，也可以防止硫的溶解流失。
目前，研究人員只制造出半英寸大小的小型測(cè)試電池。而固態(tài)電解質(zhì)與鋰硫電池的兼容性測(cè)試結(jié)果也尚未公布。
特殊硅結(jié)構(gòu)令轉(zhuǎn)化率升至42%
美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的科研人員通過計(jì)算機(jī)模擬證實(shí)，利用特殊的“硅BC8”結(jié)構(gòu)，能夠基于單個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)，大幅提升太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。相關(guān)研究報(bào)告發(fā)布在最新的《物理評(píng)論快報(bào)》上。
據(jù)了解，太陽能電池以光電效應(yīng)作為基礎(chǔ)，當(dāng)一個(gè)光子或是光粒子擊中單個(gè)硅晶體時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)帶負(fù)電荷的電子以及一個(gè)帶正電荷的空穴，而收集這些電子空穴對(duì)就能夠生成電流。
加州大學(xué)戴維斯分校化學(xué)系的朱莉亞?加利表示，傳統(tǒng)的太陽能電池能基于每個(gè)光子產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)，因此其理論最大轉(zhuǎn)換效率約為33%。而新的結(jié)構(gòu)能夠基于單個(gè)光子產(chǎn)生多個(gè)電子空穴對(duì)，從而切實(shí)提升太陽能電池的效率。
借助勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī)，研究人員模擬了“硅BC8”的形成過程，這種硅結(jié)構(gòu)形成于高壓環(huán)境，但其在正常壓力下也很穩(wěn)定。模擬結(jié)果顯示，“硅BC8”納米粒子確實(shí)基于單個(gè)光子生成了多個(gè)電子空穴對(duì)，即使當(dāng)它暴露于可見光時(shí)亦是如此。
博士后研究員斯蒂芬?魏博曼稱，這一發(fā)現(xiàn)可使太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化效率提升至42%，超越任何現(xiàn)有的太陽能電池，具有重大意義。他說：“如果利用拋物面反射鏡為新型太陽能電池聚集陽光，有理由相信，其轉(zhuǎn)換效率或可高達(dá)70%。”
目前，通過與傳統(tǒng)的硅納米粒子相結(jié)合所制成的太陽能電池模型僅能在紫外線的照射下工作，還不能在可見光照射下正常工作。
哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院的科學(xué)家曾指出，當(dāng)普通硅太陽能電池被激光照射時(shí)，激光所發(fā)出的能量或可營(yíng)造出局部的高壓以形成“硅BC8”納米晶體。因此，施加激光或是化學(xué)壓力都可能使現(xiàn)有的太陽能電池轉(zhuǎn)化為高效的新型太陽能電池。
