通过光耦合电极实现金属/空气电池的直接太阳能充电

《Nature Communications》：Direct solar energy charging of metal||air batteries enabled by photo-coupled electrodes

　　

摘要

在可充电电池中实现太阳能充电一直是几代科学家的梦想，这标志着可持续能源存储领域的一项重大突破。关键挑战在于，光充电电极需要同时具备高光伏效率和良好的循环稳定性。本文通过直接光激发对sp杂化碳网络进行动态重构，提出了一种不含金属的氮取代图diyne（graphdiyne）作为用于可充电电池集成太阳能充电的光电极。氮取代图diyne通过改善中间体吸附能力和光激发下的空穴介导氧化作用，加速了氧释放反应的速率。基于氮取代图diyne的光电耦合正电极可应用于多种金属-空气电池（Zn||air、Li||O₂、Mg||air、Fe||air和Al||air），其中Zn||air电池在1.33伏的较低充电电压下实现了96.9%的能量效率，并且在100毫安/平方厘米的电流下可稳定运行230个循环。Li||O₂电池的效率达到了96.3%，而Mg||air、Fe||air和Al||air系统的充电电压则更低。这项研究开创了一类活性位点能够通过光直接且动态定义的光电极，为高效太阳能驱动的能量转换和存储提供了新的途径。