太阳能可充电储能器件的设计及其电化学性能的研究

摘要

由于化石燃料日渐枯竭和环境污染问题日益突出，新能源的开发和利用迫在眉睫。太阳能是清洁、安全和可持续的能源，其储量丰富、成本低廉、无污染，在未来能源领域应用潜力巨大。但是，太阳能的间歇性、局域性和不稳定性，严重阻碍它的实际应用。目前，太阳能电池是将太阳能转化为电能，进一步储存或利用。太阳能同时转化和储存是实现高效利用太阳能的关键。设计光伏系统和储能单元集成器件实现太阳能同时转化和储存。不仅器件结构简单，而且降低太阳能储存过程中能量损耗。本论文分别设计太阳能可充电超级电容器、太阳能可充电锂电电池和太阳能可充电液流电池，太阳能辅助储能器件充电，实现其转化和储存一体化，提高太阳能利用效率。主要研究内容如下: 1.设计太阳能可充电超级电容器器件，微波合成介孔立方体Fe2O3/GO复合材料。利用微波由内而外快速加热方式，短时间合成普鲁士蓝/氧化石墨烯前驱体，马弗炉焙烧得到Fe2O3/GO复合材料作为超级电容器负极材料。Fe2O3既是储能材料又是半导体材料，光激发下产生电子-空穴对。放电过程，光激发Fe2O3/GO电极放电比容量提高10％，实现太阳能同时转化和储存。 2.设计太阳能可充电锂电电池器件，光照射氧化钛纳米管阵列(TNT)，TNT产生电子-空穴对，空穴将碘负离子(I-)氧化成碘三负离子(I3-)，电子由外电路转移至负极，将锂离子(Li+)还原成金属锂。半导体产生光电压补充到充电电压，充电电压低于放电电压，节约部分电能，实现光能转化和储存。 3.设计双驱动太阳能可充电液流电池器件。单个光电极产生超过1.0V的光电压属于禁带宽度较宽的半导体，只能吸收短波长太阳光谱，降低太阳能的利用效率，双光照体系弥补这个缺点。C3N4作为光阳极和GdCrO3作为光阴极，光激发C3N4产生电子-空穴对，空穴将DMPZ氧化，另一侧光激发GdCrO3产生电子-空穴对，电子将PL还原，C3N4产生的电子通过外电路转移与GdCrO3产生的空穴复合，形成完整的充电回路，实现太阳能同时转化和利用。

目录

摘要

1．1研究背景

1．2传统太阳能利用

1．2．1光催化

1．2．2传统的太阳能可充电电池

1．3新型太阳能可充电电池

1．3．1光阳极驱动型太阳能可充电电池

1．3．2光阴驱动型太阳能可充电电池

1．3．3双驱动型太阳能可充电电池

1．4太阳能可充电电池存在的问题及其发展方向

1．4．1太阳能可充电电池整体效率

1．4．2容量或能量密度

1．4．3稳定性

1．5研究内容

2．1．1实验试剂和气体

2．1．2实验仪器和设备

2．2．1 X-射线衍射图谱(XRD)

2．2．2场发射扫描电子显微镜(FESEM)

2．2．3透射电子显微镜(TEM)

2．2．6固体紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)

2．2．7紫外分光光度仪

2．2．8热重分析(TG-DTA)

2．3电化学测试

2．3．1电极制备

2．3．4交流阻抗测试(EIS)

2．3．5光电流测试

第三章光辅助超级电容器负极材料氧化铁性能的研究

3．1引言

3．2电极材料的制备

3．3电极材料表征

3．3．1 X射线衍射图和拉曼

3．3．2氮气吸附-脱附等温线

3．3．3热重分析和紫外可见漫反射谱图

3．3．4场发射扫描电镜和透射电子显微镜

3．4电化学性能的研究

3．4．1循环伏安法

3．4．2恒电流充放电

3．5本章小结

第四章太阳能可充电锂碘电池性能的研究

4．1引言

4．2电极材料的制备

4．3电极材料的表征

4．3．1 X射线衍射图和拉曼

4．3．2紫外可见漫反射

4．3．3场发射扫描电子显微镜

4．4电化学性能测试

4．4．1组装太阳能可充电锂碘电池

4．4．2恒电流充放电测试

4．5机理探究

4．6本章小结

第五章双驱动太阳能可充电液流电池性能的研究

5．1引言

5．2材料的制备

5．2．2合成C3N4

5．3材料的表征

5．3．1 X-射线衍射图和紫外可见漫反射

5．3．2场发射扫描电子显微镜

5．4电化学性能测试

5．4．1光电极的制备

5．4．2太阳能可充电液流电池

5．4．3循环伏安法

5．4．4线性扫描伏安法

5．5本章小结

第六章总结和展望

参考文献

个人简介

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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