[发明专利]一种光辅助充电锂离子二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种光辅助充电锂离子二次电池，具体地说，特别涉及一种以光电转化和二次电池材料相结合形成的新型光辅助充电锂离子二次电池，属于光电化学太阳能电池和锂离子二次电池的交叉领域。

背景技术

光电化学太阳能电池和锂离子二次电池已经大规模商业化应用很长一段时间了，现有材料的开发研究也越发成熟。在今天，无论身在何处，都离不开电池的应用；在煤、石油等天然储备能源日渐枯竭的未来，电能将成为能源最大的供应源。从十八世纪初在研究室出现第一批可商业应用的电池以来，电池材料的性能和电池的组装形式就一直在不断完善中。最初，出于对宏观环境保护的考虑，镉、汞等污染源金属逐渐被绿色材料所取代；然后，科学家开始致力于改善电池的性能，如光电转换量子效率、填充因子、功率密度、能量密度以及安全特性等；最后，在电池材料性能达到一定水平，尤其是可以大规模商业应用以后，科学家和生产厂家开始致力于电池组装形式和外观的改良，以期达到保证电池性能的同时使电池实现体积小、质量轻及美观大方等特点。

尽管电池业已经有很长时间的发展史，但仍然存在一些有待解决的问题。其中，现有光电化学太阳能电池和锂离子二次电池分别存在以下缺点：一方面，虽然光电化学太阳能电池的能量来源太阳能是天然的、用之不竭的和无污染的，是一个非常理想的能量来源，但现有光电化学太阳能电池材料的光电转换效率低，难以实现10％以上的光电转换效率，此外，其量子效率和填充因子也不令人满意；锂离子二次电池在能量密度、功率密度和安全性能上都没有达到理想状态，均在逐步完善的过程中；另一方面，光电化学太阳能电池只能在晴天时利用来自太阳的能量，且其电极材料以及光电化学太阳能电池装置本身都没有储能作用；锂离子二次电池只能单纯地依靠电能转化为化学能，通过外部充电设施的唯一方式来充电，如果锂离子二次电池的电能耗尽而用户所在地点没有合适的充电设施，则锂离子二次电池将会由于无法充电而不能使用；此外，锂离子二次电池还存在对于低压电的电能无法有效利用的问题。

为解决上述问题，需要一种能够集合光电化学太阳能电池和锂离子二次电池优点于一体，并且环保的电池。因此，产生了一种新概念电池——光辅助充电锂离子二次电池。对于所述光辅助充电锂离子二次电池中应用的光充电电极材料，从十九世纪八十年代开始有相关研究。1980年，Tributsch提出了光充电电极材料的概念，认为半导体结合层状化合物可以实现光电转换和储能的双重作用。随后T.Nomiyama等人用CuFeTe₂做光充电电极材料，使用CuFeTe₂|LiClO₄|Pt体系测试所述材料性能，在氙灯作为光源时发现了光充电效应，但电压只有几十毫伏，非常低并且不稳定，T.Nomiyama等人分析了所述材料使用的化合物的结构对充电行为的影响。21世纪初，Xinjing Zou、Hiroyuki Usui等人在日本对二氧化钛及其包覆的碳纳米管材料进行了研究，该研究用脉冲激光法将二氧化钛及其包覆的碳纳米管材料的电极沉积在导电玻璃上，同样在氙灯做光源条件下发现了稳定的光充电效应，在光照下和非光照下的放电电流最高可达0.8μA/cm²，并对比了在不同气氛中、不同压力下以及不同粒径时的电极性能，分析了造成差异的原因。最近的有关光充电电极材料的研究成果是由台湾的Chien-Tsung Wang提出，该研究用溶胶凝胶法和超临界干燥法制备了二氧化钛包覆五氧化二钒的电极材料，研究了所述电极材料在紫外光照下的充放电行为。由于使光充电电极材料兼具光电化学太阳能电池和锂离子二次电池的优点非常困难，因此，现有的光充电电极材料较少而且相关的性能指标也不理想，至今尚未出现同时适用于光电转化和电能储存，且性能良好的光辅助充电的电化学装置。

上述已有研究的光充电电极材料主要存在以下缺陷：一方面，在充电过程中仅依赖光充电电极上的半导体活性材料自身发生氧化或还原反应储存能量，由于光充电电极上的半导体活性材料以涂层形式存在，活性物质量少，因此储存的能量非常有限；另一方面，所述光充电电极材料在光辅助充电锂离子二次电池中作为正极和负极位于同一电解池中，未采用隔膜将正极和负极分隔，因此正极的充电物质很快会被电解质溶液中的还原态物质消耗掉，导致所述光辅助充电锂离子二次电池储存的化学能无法长期稳定存在，表现出放电时间短，充电时间长的自放电现象。

发明内容