孙正明、阮秋实团队，Advanced Energy Materials：“光溢出效应”克服光辅助离子电池中光照面积的限制
【研究背景】
光辅助离子电池不仅具备传统离子电池的功能，在光照条件下，还能显著提升电池容量、降低充电电压、提高放电电压、促进离子传输等，在未来储能应用中展现了巨大潜力。然而由于叠层电池的结构紧凑，可用于光照的面积十分有限，克服光照面积的尺寸限制是推动光辅助离子电池发展的关键。
在太阳能电池、光化学电池电极材料中，由于载流子的迁移距离较短（通常<10 𝜇m），光照对材料的影响仅仅局限于光照区域。而本研究发现光辅助锌离子电池中光照对电池的影响不仅限于照射区域，而是可以波及非光照区域（图1），这可能源于导电炭黑与外界电场大大促进了光生载流子的迁移距离。我们将此现象命名为光辅助离子电池中的“光溢出效应”。得益于“光溢出效应”，光辅助离子电池仅需光照一半的电极面积就可以实现与全电极光照同样的容量提升效果。
此外，我们还发现电池电极上光照区域和未光照区域之间会产生显著的电位差，导致了离子的选择性嵌入。由于光诱导的质子转移，光照区域更倾向于H+嵌入，而未光照区域更倾向于Zn2+嵌入。这项研究克服了光辅助离子电池的光照尺寸限制，推动了高度集成的光辅助离子电池研究。
【文章简介】
近日，东南大学孙正明、阮秋实团队，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Irradiation Spillover Effect in Photo-Assisted Ion Batteries: Overcoming Size Limits for Solar Utilization”的文章。该研究揭示了光辅助离子电池中的“光溢出效应”，克服了光辅助离子电池中光照面积的尺寸限制。
图1 光辅助锌离子电池中的“光溢出效应”
【本文要点】
要点一：光溢出效应对容量提升的影响
本研究利用BiVO4这一经典可见光响应的半导体材料来揭示光辅助锌离子电池（PZIB）中的光溢出效应。首先利用BiVO4制备了光辅助锌离子电池电极，对其在完全光照，暗态以及一半光照下的电化学性能进行测试（图2），在0.3 A/g的电流密度下，电池在完全光照下，容量从暗态的条件下的160 mAh g-1增加到220 mAh g-1，随后，在一半光照条件下，对光辅助锌离子电池进行充放电，容量仍达到220 mAh g-1，展示出了相似的容量提升。
图2 全光照、半光照和暗态下光辅助锌离子电池的电化学性能测试。
要点二：光照与非光照区域存在电势差
利用开尔文探针（KPFM）去检测同一电极上光照区域和非光照区域的表面电势发现，BiVO4/Ketjenblack电极与BiVO4电极在光照区域均展现出+100 mV的表面电势变化，这源于BiVO4的n型半导体性质，然而，BiVO4/Ketjenblack电极在非光照区域显示出接近-100mV的表面电势变化，而BiVO4电极在非光照区域的电势不变。这说明BiVO4/Ketjenblack电极中的光生电子从光照区域流向了非光照区域，因此形成了内部电位差，而Ketjenblack的存在大大提升了光生电子的迁移距离，因此展现出“光溢出效应”。
图3 KPFM分析“光溢出效应”机制
要点三：光照与非光照区域存在选择性离子嵌入
利用SEM mapping和飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）对比同一电极上光照区域与非光照区域的成分发现，光照区域倾向于氢离子嵌入（可能由于光诱导质子嵌入），而非光照区域倾向于额外的锌离子嵌入。
图4 光照区域与非光照区域的离子选择性嵌入
【前瞻】
“光溢出效应”打破了光辅助离子电池对光照面积尺寸的限制，相比于太阳能电池、光化学电池，展现出独特的性质。同时 “光溢出效应”在光辅助锌离子电池中具有普适性，适用于V2O5, VO2等一系列电极材料。
【文章链接】
Ma Long, Ruan Qiushi, Zha Wenwen, Kong Lingqiao, Sun ZhengMing. Irradiation Spillover Effect in Photo‐Assisted Ion Batteries: Overcoming Size Limits for Solar Utilization. Advanced Energy Materials, 2024: 2303586.
https://doi.org/10.1002/aenm.202303586