科学解读 | 手机电量永久100%，太阳能充电靠谱吗？
2021-11-23
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什么？你的手机没电啦！
什么？共享充电宝涨价啦！
作为一名社畜，一直在追求财富自由的道路上不懈追求。然而，我们向往的生活里，除了财富自由这样远大的梦想之外，眼前的小确幸是手机能够拥有充足的电量。
于是，某些具有脑洞的科研人员在想：如果能够实现利用太阳光来直接给手机电池充电的话，那么这一困扰大家的难题就迎刃而解了。
频繁的手机充电 图片来源：https://www.hippopx.com
人造地球卫星在白天通过特定的太阳能电池来吸收光能，将其储存到蓄（储能）电池当中，以维持它们在夜间的正常运行。一直以来，科学界主流的观点是将锂离子电池与太阳能电池进行集成组装。
这种二合一的电池技术可能在很多场景中得到应用，例如智能窗户和可穿戴织物。但是，这无疑将增加锂离子电池的配重，严重影响电子设备的实用性和美观性。因此，实现锂离子电池的自充电才是一条最佳的路径。
人工地球卫星 图片来源：https://www.hippopx.com
早在上个世纪90年代，日本学者对于光充电电池的探索就已经开始了。直到2017年，加拿大的Karim Zaghib和George P. Demopoulos研究团队报道了第一款光辅助充电的锂离子电池。这种电池在传统的锂电池基础上引入了染料敏化分子 [1]——一种对太阳光敏感的分子。
锂离子电池是通过锂离子在电池内部的正负极间的移动来工作的。当对电池进行充电时，锂离子从电池内部的正极向负极移动；当电池进行放电时，锂离子再向相反的方向移动。正极和负极材料可以储存这些移动的锂离子。
将这种染料敏化分子加入到锂离子电池的正极中，提高了锂电池对于太阳光的敏感性。
就像绿色植物通过叶绿素捕获太阳能转化为化学能一样，锂离子电池也可以通过染料敏化分子有效吸收光能。在光照条件下，染料敏化分子吸收的光能转化为电能，能够有效的驱动锂离子从正极向负极移动，实现了电池的自充电。
这种直接光辅助锂离子电池充电的技术为光充电锂电池的技术发展提供可能，是太阳能高效利用的新机遇。
1990年日本学者发表的光充电电池的论文 ，图片来源：10.1016%2F0167-2738(90)90161-J（文章DOI号）
有机太阳能电池材料和二维钙钛矿是目前常见的太阳能敏化材料。这些材料虽然能实现辅助光能吸收，但是，目前科学报道的这两种材料的电池，能量转换效率有限（低于 0.1%），使用寿命也很短。
寻找新的方法和材料提升能量转换效率成为科研工作者需要攻克的难题。
今年4月份，英国剑桥大学的Michael De Volder课题组报道了一种基于五氧化二钒（V2O5）的光辅助充电的锂离子电池 [2]。
这种电池可以实现大约2.6%的能量转化效率，是之前研究报道的光充电锂离子电池能量转化效率的26倍，这一工作的结果无疑是令人振奋的！
光辅助充电的锂离子电池 图片来源：Nano Lett. 2021, 21, 8, 3527-3532
就在不久前，国内可充电锂离子电池的研究也取得了巨大的进展。华东理工大学江浩教授课题组在高能量密度方面实现了新的突破 [3]。
他们使用氧化锡/二氧化钛复合纳米阵列作为一种多功能负极。氧化锡是一种常见的高性能负极材料，引入的二氧化钛（一种对太阳光高效吸收的无机光敏材料）则作为光能吸收材料。
这种氧化锡/二氧化钛复合纳米阵负极实现了3.47 mAh cm－2的高电量，是普通同类电池的1.8倍！
同时，在经过100次充放电循环后，依旧没有明显的容量损失，之前工作的光可充电锂离子电池基本上只能循环15次。不管是从电容量来看，还是可充电循环次数来看，这都是目前报道的最好的一款可光充电锂离子电池。
此项工作为通过太阳能转换和储存来打破电池的容量限制开辟了一条新的道路。
光可充电锂离子电池虽然取得了一系列可喜的进展，但是，目前这项技术还不能应用在我们使用的手机上。
即使是，现阶段的性能最好的光可充电锂离子电池电池寿命，也还远远不能满足我们的使用需求，假如我们一天充一次电，也只能使用50天左右就报废了。
除此之外，技术加工上也有局限性。使用光可充电锂离子电池必须采用透明的电池封装材料，这样光才能透过被吸收。如果将光可充电锂离子电池装载到手机上，就要求手机也必须使用透明的机盖，这需要对手机生产线的升级改造，这将是一大笔经济成本。
所以说，光可充电锂离子电池的应用还有一段艰辛的研发之路要走。对充电器、充电宝说Bye-Bye，仍然为时过早。
虽然技术还不够成熟，但是我们相信，在科学家的不懈探索下，理想会照进现实。在不久的将来，只要阳光不落山，我们都可以随时给手机做一个“日光浴”，让手机充满能量！
[1] T. Kanbara, K. Takada, Y. Yamamura, S. Kondo, Photo-rechargeable solid state battery, Solid State Ionics 40-41 (1990) 955-958.
[2] A. Paolella, C. Faure, G. Bertoni, S. Marras, A. Guerfi, A. Darwiche, P. Hovington, B. Commarieu, Z. Wang, M. Prato, M. Colombo, S. Monaco, W. Zhu, Z. Feng, A. Vijh, C. George, G.P. Demopoulos, M. Armand, K. Zaghib, Light-assisted delithiation of lithium iron phosphate nanocrystals towards photo-rechargeable lithium ion batteries, Nat. Commun. 8 (2017) 14643.
[3] B.D. Boruah, B. Wen, M. De Volder, Light Rechargeable Lithium-Ion Batteries Using V2O5 Cathodes, Nano Lett. 21 (2021) 3527-3532.
[4] C. Hu, L. Chen, Y. Hu, A. Chen, L. Chen, H. Jiang, C. Li, Light-Motivated SnO2/TiO2 Heterojunctions Enabling the Breakthrough in Energy Density for Lithium-Ion Batteries, Adv. Mater. n/a (2021) 2103558.
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