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文 章 信 息
太阳能自供电光辅助锌-空气电池系统的高能量转换效率和循环耐久性
第一作者：王子裕
通讯作者：胡素娟*
单位：昆明学院
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研 究 背 景
近年来，小型电子产品的快速发展为户外活动提供了极大便利，但在气候恶劣或远离城市的地区，存在能源供应不足的问题，难以及时为电子产品供电，因此迫切需要找到可靠的解决方案。可充电锌空气电池（RZABs）凭借其高能量密度、低成本和环保特性，在先进能源设备中展现出巨大潜力，但其往返效率较低，且对间歇性充电的需求增加了应用的复杂性。太阳能是一种分布广阔的可再生能源，由光伏器件和储能设备组成太阳能充电自供电系统，能够在阳光下将太阳能转化为电能并储存，以便在需要时为电子产品提供稳定供电，实现自给自足，减少频繁更换电池带来的故障风险。通过将锌空气电池与光伏电池结合，形成的太阳能自供电RZABs系统为无电网的偏远地区提供了可行的供电方案。
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文 章 简 介
近日，昆明学院胡素娟课题组在国际期刊Energy Storage Materials上发表的题为“High Energy Conversion Efficiency and Cycle Durability of Solar-Powered Self-Sustaining Light-Assisted Rechargeable Zinc–Air Batteries System”的研究论文。该研究通过使用具有光响应的pTTh作为RZABs阴极催化剂，与晶体硅光伏太阳能板共同构建了太阳能自供电的光辅助RZABs系统。光场的引入改善了pTTh表面的氧气吸附过程，促进了氧还原反应的进行，并大幅提高了整体系统的能量存储与转换效率（达到了16.2%）。在实际循环应用实验中，太阳能自供电RZABs系统表现出良好的兼容性和适配性，实现了33天的循环操作，具有长期循环耐久性，并在宽工作温度范围(-15至40 °C)内均可以稳定运行，为太阳能自供电电池系统的技术开发和应用提供了新的思路和可能性。
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本 文 要 点
要点一：太阳能自供电RZABs系统的兼容性和适配性
将pTTh基阴极锌空气电池与晶体硅光伏电池组成太阳能自供电RZABs系统。晶体硅光伏电池的I-V曲线表明，在1 Sun条件下，晶体硅光伏电池的开路电压达到2.2 V，足以满足RZABs的充电要求。实际测试中，即使在光线强度最弱的黄昏，晶体硅光伏电池仍然可以通过小电流为水系RZABs充电。1 Sun条件下使用晶体硅光伏电池对水系RZABs充电30 min后，观察不同放电电流密度下的放电时间，由此计算得出太阳能自供电RZABs系统在放电电流为2 mA cm-2时达到最大能量转换效率10.8%。充放电循环测试中，太阳能自供电RZABs系统在实际太阳光照下能够累计运行200 h，总计33天，在10 mA cm-2的大放电电流下也能稳定循环100 h，表现出优异的耐久性。
图1. 太阳能自供电RZABs系统的性能测试。
要点二：光场辅助提升电化学性能
在光场作用下，pTTh的电催化活性得到提高，与无光条件相比，ORR半波电位提高了0.11 V，OER过电位降低了100 mV。此外，光照条件下ORR/OER的Tafel斜率明显小于无光条件下的Tafel斜率。当pTTh在光照下从S0态跃迁到S1态时会生成光生电子-空穴对，DFT计算表明，光生电子有利于氧在pTTh表面活性位点的吸附与活化，大量电子被激发到CB并转移到氧的π*轨道上，增加了π*轨道的反键强度，提高总反应速率。光辅助RZABs阴极和阳极反应之间的化学电位差被半导体带隙部分取代，降低了电池的过电位。
图2. pTTh的表征与电化学性能
图3. 光辅助pTTh阴极工作机理与太阳能自供电光辅助水系RZABs系统性能测试
要点三：光场辅助提升太阳能自供电RZABs系统的能量转换效率
电池性能测试表明，光照下RZABs的充放电性能和功率密度均得到有效提升，其中光照对ORR的影响更为明显。将光辅助RZABs引入太阳能自供电水系RZABs系统中，由于太阳能在ZABs阴极处的输入和转换，系统最大能量转换效率提升到16.2%，相比无光场辅助提高了50.5%。为了拓展应用场景，开发了基于pTTh阴极的太阳能自供电柔性可充电锌空气电池（FRZABs）系统，系统最大能量转换效率由9.8%提升到11.9%。
图4. 光辅助FRZABs与太阳能自供电光辅助FRZABs系统性能测试
要点四：锌空气电池恶劣条件下的实用性
为了满足电子设备的实际供电需求，太阳能自供电RZABs系统必须能够在宽温域以及恶劣天气下运行。组装的FRZABs能够在-15至40 °C温度范围内稳定充放电循环100 h。此外，将FRZABs浸入生活用水中，FRZABs能以0.9 V稳定放电28 h。
图5. FRZABs在恶劣条件下的性能测试
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文 章 链 接
High Energy Conversion Efficiency and Cycle Durability of Solar-Powered Self-Sustaining Light-Assisted Rechargeable Zinc–Air Batteries System
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103897
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通 讯 作 者 简 介
胡素娟教授简介：昆明学院教授/硕士生导师，化学化工学院副院长，云南省高校有机光电子材料与器件重点实验室副主任，云南省“兴滇英才支持计划”青年人才。昆明学院绿色能量转换与存储团队带头人；云南省科技专家，担任中科院一区《Rare Metal》期刊青年编委等，并兼任多个期刊的审稿人。主持国家自然科学基金项目2项，省部级项目6项。在Energy Storage Materials, Chemical Engineering Journal等中科院一区期刊上发表论文20余篇，编著书籍1部，申请授权国家发明专利2件。获云南省自然科学三等奖1项。
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第 一 作 者 简 介
王子裕，昆明学院物理科学与技术学院2022级研究生，研究方向为锌空气电池的性能与应用。
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