南京信息工程大学李敬发教授，ACS Nano：集成式双面电极设计助力光充电水系锌碲二次电池

第一作者：刘红敏

通讯作者：李敬发*

单位：南京信息工程大学

太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源，具有重要的研究和利用价值，太阳能驱动的自供电储能系统被认为是解决当前能源困境的有力竞争者。它通过转换/存储太阳能解决了太阳能间歇性的问题，提高了太阳能的利用率。然而，在传统的储能系统中，双功能活性光电电极的光谱响应较差， 并且光生电荷的分离效率低下。

因此， 通过集成技术，有效将太阳能电池的光电级和储能系统的正极一体化设计，从而开发具有低成本及高转换效率的光电正极材料是光充电电池领域的研究重点。

基于此，本研究工作设计了一种由双面连接的钙钛矿/碲光电正极，并将其引入水系锌碲电池中实现模拟太阳光直接充电，也为进一步开发高效稳定的光充电电池体系提供了研究思路。

本文中，来自南京信息工程大学的李敬发教授课题组在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“A Photorechargeable Aqueous Zinc-Tellurium Battery Enabled by the Janus-Jointed Perovskite/Te Photocathode”的研究工作。

该工作报道了一种光充电水系锌碲电池，为有效提高其光电转换效率，设计了一种由Janus双面连接的集成电极材料。具体来说，Janus双面连接的光电正极结构由Te作为存储正极、卤化物钙钛矿（CH₃NH₃PbI₃）作为光吸附剂、并通过处理过的疏水碳纸分离，构建集成的Te/CH₃NH₃PbI₃/TiO₂复合材料。从而构筑高质量光生电荷传输界面，用于实现高效的光生电荷分离和转移。

图1. 集成光充电水系锌碲电池工作机理图

在p-n异质结中，光生电子在CH₃NH₃PbI₃层和TiO₂层之间转移，并降低了界面处的电荷积累/复合速率。此外Te/ CH₃NH₃PbI₃复合材料比纯CH₃NH₃PbI₃的发光强度显著提高，同时Te/ CH₃NH₃PbI₃复合材料的载流子寿命远长于没有Te涂层的纯CH₃NH₃PbI₃薄膜，表明了Te与CH₃NH₃PbI₃之间的协同效应，有利于提高钙钛矿隔膜和Te层之间的空穴传输，从而提高了空穴提取率。

图2. Te/CH₃NH₃PbI₃/TiO₂复合材料的光伏性能。

要点二：光辅助充电水系锌碲电池的电化学性能

基于Janus双面连接的Te/CH₃NH₃PbI₃/TiO₂光电正极，可有效保护钙钛矿层免受水系电解液的影响。组装光辅助充电水系锌碲电池，电池的电化学循环性能优异。在1000 mA g^-1的电流密度下，光照下的放电容量比黑暗下的增加82%，表明CH₃NH₃PbI₃层的光激发载流子有效地加速了电荷传输并加速了电子转移，进一步阐明了光辅助充电过程中从ZnTe到ZnTe₂再到Te的两步转化反应。此外光照下的充电平台降低了0.1 V，这表明光辅助充电水系锌碲电池在光照下不仅加速了反应动力学而且节省了电能。

图3.光辅助充电水系锌碲电池的电化学性能

要点三：光充电水系锌碲电池的光电化学性能

最后，在不施加外部电流的情况下，通过模拟太阳光对光充电水系锌碲电池直接进行充电。在 14 小时的光照持续时间下，光充电水系锌碲电池的电压可以充电至 0.98 V，并在30mA g^-1的电流密度下持续放电18小时。

图4.光充电水系锌碲电池的电化学性能

“A Photo-rechargeable Aqueous Zinc−Tellurium Battery Enabled by the Janus-Jointed Perovskite/Te Photocathode”

李敬发教授简介：南京信息工程大学教授，化学与材料学院副院长，入选江苏省“特聘教授”，江苏省“六大人才高峰”B类，江苏省“科技副总”，江苏省“双创团队”核心成员，校“龙山学者”支持计划等。2012年7月博士毕业于中国科学技术大学，先后在澳大利亚卧龙岗大学、新加坡国立大学从事博士后研究工作，2016年初回国，加盟南京信息工程大学。

主要从事新能源器件的材料开发与应用研究。近年来以第一或通讯作者身份在Advanced Energy Materials, ACS Nano, J. Energy Chem等国际权威期刊发表论文50余篇。曾获得山东省自然科学二等奖、山东省高校科学技术一等奖等学术奖励。曾获得国家自然科学基金委、江苏省政府、省科技厅、省教育厅等科研项目资助。

刘红敏，南京信息工程大学化学与材料学院20级材料科学与工程专业硕士研究生，致力于复合电极的光充电二次电池设计及光电化学性能研究。获得江苏省研究生科研创新计划项目、研究生优秀奖学金、研究生学业奖学金、南理工材料科学国际创新周优秀海报奖等荣誉，在ACS Nano、J. Mater. Chem. A、Small、J. Energy Chem.等发表SCI论文多篇。

投稿请联系contact@scimaterials.cn