Las células solares inspiran a Li

Jun 26, 2023

Diálogo del 8 de mayo de 2023

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por Shubham Chamola y Shahab Ahmad, Tech Xplore

La energía solar está a la vanguardia del cambio global hacia la producción de fuentes de energía sostenibles y la lucha contra la pobreza energética. Sin embargo, la naturaleza intermitente de la energía solar limita su uso para aplicaciones como dispositivos IoT, detección remota en vivo y fuente de alimentación fuera de la red. Convencionalmente, las baterías funcionan con celdas solares para almacenar la energía para su uso posterior. Sin embargo, la combinación física de estas dos tecnologías requiere un empaque separado de ambos sistemas, es engorrosa de instalar y requiere más electrodos, lo que aumenta el costo y las pérdidas óhmicas en el dispositivo.

Además, estos paneles y baterías fotovoltaicos (PV) conectados físicamente utilizan diferentes tipos de materiales energéticos para lograr tanto la recolección como el almacenamiento de energía, lo que hace que el sistema en general sea voluminoso. Como resultado, estos problemas limitan las aplicaciones.

En este contexto, las baterías fotorrecargables (PRB) demostradas pueden proporcionar una solución prometedora para superar las limitaciones asociadas con la integración física de PV y baterías. Un PRB puede realizar la recolección y el almacenamiento de energía solar simultáneamente en un solo dispositivo utilizando nanomateriales avanzados, que pueden realizar la recolección y el almacenamiento de energía de manera eficiente. Esta tecnología de vanguardia promete ser liviana y eficiente en comparación con la combinación convencional existente de fotovoltaicos y baterías.

En su estudio publicado en Advanced Sustainable Systems, los investigadores del Laboratorio de Materiales de Energía Avanzada, Departamento de Física del Instituto Indio de Tecnología de Jodhpur, demostraron que las nanovarillas de óxido de hierro (también conocido como hematita) pueden funcionar como un material activo para formar eficiente y bajo fotocátodos de bajo coste para aplicaciones PRB. La alta capacidad específica teórica (1006 mAh g-1), la abundancia de tierra, la no toxicidad, el respeto por el medio ambiente y las técnicas de procesamiento bajas hacen que la fase alfa del óxido de hierro sea un material de ánodo atractivo para las baterías de iones de litio.

Los nanorods de óxido de hierro han demostrado la capacidad de recolectar simultáneamente la radiación solar en la región visible debido a su banda prohibida de ~2,1 eV y almacenar los iones de litio de manera eficiente. Este trabajo proporciona la primera demostración de fotocarga independiente al explorar el mecanismo de reacción de conversión donde se logra una mejora de más del 90% en la capacidad específica de la batería de iones de litio con la iluminación solar.

"Los fotocátodos altamente nanoporosos se fabrican con hematita, carbono C-61 (PCBM) y nanotubos de carbono. La hematita puede absorber la luz solar y producir portadores de carga fotogenerados, mientras que los aditivos conductores de PCBM y nanotubos de carbono proporcionaron una vía adecuada para que los electrones fotogenerados lleguen al colector actual. e iniciar la fotocarga", dijo Shubham Chamola, el primer autor del artículo de investigación.

Los nanorods de óxido de hierro nanoporosos se fabrican utilizando una técnica de procesamiento de solución de bajo costo en la que los nanotubos de carbono se funcionalizan con PCBM y se mezclan con la solución NMP de nanopartículas de hematita, lo que resultó en el crecimiento de nanorods de Fe2O3 en paquetes de nanotubos de carbono. Para ensamblar la batería fotorrecargable, los investigadores utilizaron una carcasa de celda de moneda 2032 modificada con un orificio de 8 mm de diámetro perforado en la parte inferior para que sirviera como una ventana óptica para acoplar la luz. Esta ventana se selló con una lámina de PVC transparente y el fotocátodo a base de material activo se colocó mirando hacia la ventana.

El PRB mostró una carga independiente cuando se iluminó con un LED azul de 470 nm, logrando una eficiencia de fotoconversión y almacenamiento (PCSE) de 1,988 %, lo que es un logro significativo en el campo de los PRB en comparación con los resultados publicados anteriormente basados ​​en el ion basado en la intercalación. almacenamiento. Bajo iluminación LED de luz blanca a una tasa de corriente alta de 2000 mA g-1, la PRB mostró una mejora del 92,96 % en las capacidades específicas. Cuando la PRB se expone a la luz, las nanovarillas de Fe2O3 absorben fotones de energía superiores a su banda de energía prohibida y generan portadores de carga fotogenerados en el fotocátodo. Los aditivos conductores proporcionan una vía favorable para que los fotoelectrones lleguen al colector de corriente y avancen hacia el ánodo a través de un circuito externo.

Simultáneamente, los fotoagujeros presentes en Fe2O3 oxidan Fe0 a Fe3+, lo que proporciona repulsión al Li+ hacia el ánodo de metal Li a través del electrolito. Como resultado, los iones de litio se reducen en el ánodo para formar metal de litio, lo que da como resultado una fotocarga. Este fenómeno se demostró aún más al registrar la OCV bajo una descarga resistiva y cuando se encendió la luz, la OCV comenzó a aumentar, un fenómeno que es contrario a lo que normalmente se esperaría. Esto sugiere que hay más portadores de carga fotogenerados de los necesarios para satisfacer la demanda actual de descarga de la PRB.

Este fenómeno podría ser beneficioso cuando se requiere un funcionamiento continuo de los sensores, lo que hace que las PRB sean capaces de cargarse durante el día y usar la energía almacenada para alimentar los dispositivos durante la noche o cuando no hay luz solar. El mecanismo subyacente se estudió más a fondo mediante la realización de varias mediciones electroquímicas, como el análisis OCV en diferentes resistencias, la espectroscopia de impedancia electroquímica y la voltamperometría cíclica en condiciones de oscuridad e iluminación. Además, el PRB pudo alimentar un LED comercial de 3 V incluso después de tres meses de fabricación, lo que demuestra que el PRB basado en nanorods de óxido de hierro demostrado es altamente estable y no sufre problemas de autodescarga.

"Los PRB son promesas significativas para la solución de energía futurista; sin embargo, esta tecnología aún está en pañales y requiere una investigación exhaustiva para el desarrollo de materiales eficientes y una comprensión del mecanismo a nivel atomístico antes de que pueda competir con el sistema solar de silicio integrado establecido. y tecnología de baterías de iones de litio", dijo el Dr. Shahab Ahmad, investigador principal del proyecto.

Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar sobre los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.

Más información: Shubham Chamola et al, Baterías de iones de litio fotorrecargables de alto rendimiento basadas en fotocátodos nanoporosos de Fe2O3, Sistemas sostenibles avanzados (2023). DOI: 10.1002/adsu.202300043

El Dr. Shahab Ahmad actualmente trabaja como miembro de la facultad en el Departamento de Física, IIT Jodhpur y lidera el "Grupo de Materiales de Energía Avanzada". Antes de esto, trabajó extensamente en materiales y dispositivos energéticos en la Universidad de Cambridge, Reino Unido. Sus áreas de investigación incluyen baterías de iones de litio, baterías de iones de litio fotorrecargables, perovskitas de haluro metálico para aplicaciones fotovoltaicas y proceso de división de agua asistido por energía solar para producción de H2.

El Sr. Shubham Chamola es un estudiante de doctorado que trabaja con el Dr. Shahab Ahmad en IIT Jodhpur. Su área de investigación actual incluye el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía fotorrecargables de alto rendimiento.

Puede encontrar más información sobre sus actividades de investigación aquí: sites.google.com/view/shahabahmad1/home?authuser=0