Solarzellen inspirieren Li

Jun 26, 2023

Dialog vom 8. Mai 2023

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von Shubham Chamola und Shahab Ahmad, Tech Xplore

Solarenergie steht an der Spitze des globalen Wandels hin zur Produktion nachhaltiger Energiequellen und zur Bekämpfung der Energiearmut. Die intermittierende Natur der Solarenergie schränkt jedoch ihre Nutzung für Anwendungen wie IoT-Geräte, Live-Fernerkundung und eine netzunabhängige Stromversorgung ein. Herkömmlicherweise werden die Batterien mit Solarzellen betrieben, um die Energie für den späteren Gebrauch zu speichern. Die physikalische Kombination dieser beiden Technologien erfordert jedoch eine separate Verpackung beider Systeme, ist umständlich zu installieren und erfordert mehr Elektroden, was die Kosten und ohmschen Verluste im Gerät erhöht.

Darüber hinaus nutzen diese physisch verbundenen Photovoltaik (PV)-Module und -Batterien unterschiedliche Arten von Energiematerialien, um sowohl Energie zu ernten als auch zu speichern, was das Gesamtsystem sperrig macht. Infolgedessen schränken diese Probleme die Anwendungen ein.

In diesem Zusammenhang können die demonstrierten fotowiederaufladbaren Batterien (PRBs) eine vielversprechende Lösung zur Überwindung der mit der physischen Integration von PVs und Batterien verbundenen Einschränkungen darstellen. Ein PRB kann die Solarenergiegewinnung und -speicherung gleichzeitig in einem einzigen Gerät durchführen und dabei fortschrittliche Nanomaterialien verwenden, die eine effiziente Energiegewinnung und -speicherung ermöglichen. Diese Spitzentechnologie verspricht im Vergleich zur bestehenden konventionellen Kombination aus PVs und Batterien leichtgewichtig und effizient zu sein.

In ihrer in „Advanced Sustainable Systems“ veröffentlichten Studie haben Forscher des Advanced Energy Materials Lab, Department of Physics am Indian Institute of Technology Jodhpur, gezeigt, dass Eisenoxid-Nanostäbe (auch als Hämatit bekannt) als aktives Material zur effizienten und kostengünstigen Bildung fungieren können Kostengünstige Fotokathoden für PRB-Anwendungen. Die hohe theoretische spezifische Kapazität (1006 mAh g-1), die Häufigkeit auf der Erde, die Ungiftigkeit, die Umweltfreundlichkeit und die geringen Verarbeitungstechniken machen die Alpha-Phase von Eisenoxid zu einem attraktiven Anodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien.

Die Eisenoxid-Nanostäbe haben gezeigt, dass sie aufgrund ihrer Bandlücke von ~2,1 eV gleichzeitig die Sonnenstrahlung im sichtbaren Bereich einfangen und die Li-Ionen effizient speichern können. Diese Arbeit liefert die erste Demonstration der eigenständigen Photoaufladung durch die Untersuchung des Umwandlungsreaktionsmechanismus, bei dem bei Sonneneinstrahlung eine Steigerung der spezifischen Kapazität der Lithium-Ionen-Batterie um mehr als 90 % erreicht wird.

„Die hoch nanoporösen Fotokathoden werden aus Hämatit, C-61-Kohlenstoff (PCBM) und Kohlenstoffnanoröhren hergestellt. Hämatit kann Sonnenlicht absorbieren und fotogenerierte Ladungsträger erzeugen, während PCBM und leitende Zusätze aus Kohlenstoffnanoröhren einen geeigneten Weg für fotogenerierte Elektronen zum Stromkollektor darstellten.“ und die Photoaufladung initiieren“, sagte Shubham Chamola, der Erstautor des Forschungsartikels.

Die nanoporösen Eisenoxid-Nanostäbe werden mithilfe einer kostengünstigen Lösungsverarbeitungstechnik hergestellt, bei der die Kohlenstoff-Nanoröhren mit PCBM funktionalisiert und mit der NMP-Lösung von Hämatit-Nanopartikeln vermischt werden, was zum Wachstum von Fe2O3-Nanostäben auf Kohlenstoff-Nanoröhrenbündeln führt. Um die fotowiederaufladbare Batterie zusammenzubauen, verwendeten die Forscher ein modifiziertes 2032-Knopfzellengehäuse mit einem Loch mit 8 mm Durchmesser auf der Unterseite, das als optisches Fenster zum Einkoppeln von Licht diente. Dieses Fenster wurde mit einer transparenten PVC-Folie versiegelt und die auf aktivem Material basierende Fotokathode wurde zum Fenster gerichtet platziert.

Der PRB zeigte eine unabhängige Aufladung, wenn er mit einer blauen 470-nm-LED beleuchtet wurde, und erreichte eine Photokonversions- und Speichereffizienz (PCSE) von 1,988 %, was im Vergleich zu den früher veröffentlichten Ergebnissen, die auf dem interkalationsbasierten Ion basieren, eine bedeutende Leistung auf dem Gebiet der PRBs darstellt Lagerung. Unter Weißlicht-LED-Beleuchtung bei einer hohen Stromrate von 2.000 mA g-1 zeigte der PRB eine Steigerung der spezifischen Kapazitäten um 92,96 %. Wenn der PRB Licht ausgesetzt wird, absorbieren Fe2O3-Nanostäbe Photonen mit einer Energie, die über ihrer Energiebandlücke liegt, und erzeugen an der Fotokathode fotogenerierte Ladungsträger. Die leitfähigen Zusätze bieten einen günstigen Weg für Photoelektronen, um über einen externen Stromkreis den Stromkollektor und weiter die Anode zu erreichen.

Gleichzeitig oxidieren in Fe2O3 vorhandene Photolöcher Fe0 zu Fe3+, was über den Elektrolyten für eine Abstoßung des Li+ in Richtung der Li-Metallanode sorgt. Dadurch werden die Li-Ionen an der Anode zu Li-Metall reduziert, was zu einer Photoaufladung führt. Dieses Phänomen wurde weiter demonstriert, indem die OCV unter einer Widerstandsentladung aufgezeichnet wurde und als das Licht eingeschaltet wurde, begann die OCV anzusteigen – ein Phänomen, das im Gegensatz zu dem steht, was man normalerweise erwarten würde. Dies deutet darauf hin, dass mehr photogenerierte Ladungsträger vorhanden sind, als erforderlich sind, um den aktuellen Bedarf zur Entladung des PRB zu decken.

Dieses Phänomen könnte dort von Vorteil sein, wo ein kontinuierlicher Betrieb von Sensoren erforderlich ist, sodass PRBs tagsüber aufgeladen werden können und die gespeicherte Energie zur Stromversorgung der Geräte nachts oder wenn kein Sonnenlicht vorhanden ist, nutzen können. Der zugrunde liegende Mechanismus wurde weiter untersucht, indem verschiedene elektrochemische Messungen durchgeführt wurden, wie z. B. OCV-Analyse unter verschiedenen Widerständen, elektrochemische Impedanzspektroskopie und zyklische Voltammetrie unter dunklen und beleuchteten Bedingungen. Darüber hinaus war der PRB in der Lage, eine kommerzielle 3-V-LED auch nach dreimonatiger Herstellung mit Strom zu versorgen, was zeigt, dass die gezeigten PRBs auf der Basis von Eisenoxid-Nanostäben äußerst stabil sind und nicht unter Selbstentladungsproblemen leiden.

„PRBs sind vielversprechend für die zukünftige Energielösung. Allerdings steckt diese Technologie noch in den Kinderschuhen und erfordert umfassende Forschung zur Entwicklung effizienter Materialien und ein Verständnis des Mechanismus auf atomarer Ebene, bevor sie mit der etablierten integrierten Si-Solaranlage konkurrieren kann.“ Zellen und Li-Ionen-Batterietechnologie", sagte Dr. Shahab Ahmad, der Hauptforscher des Projekts.

Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialog, bei dem Forscher über Ergebnisse ihrer veröffentlichten Forschungsartikel berichten können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum ScienceX Dialog und zur Teilnahme.

Mehr Informationen: Shubham Chamola et al., High Performance Photorechargeable Li-Ion Batteries Based on Nanoporous Fe2O3 Photocathodes, Advanced Sustainable Systems (2023). DOI: 10.1002/adsu.202300043

Dr. Shahab Ahmad arbeitet derzeit als Fakultätsmitglied am Fachbereich Physik des IIT Jodhpur und leitet die „Advanced Energy Materials Group“. Zuvor hat er sich intensiv mit Energiematerialien und -geräten an der Universität Cambridge, Großbritannien, beschäftigt. Zu seinen Forschungsgebieten gehören Li-Ionen-Batterien, fotowiederaufladbare Li-Ionen-Batterien, Metallhalogenid-Perowskite für Photovoltaik-Anwendungen und solarunterstützte Wasserspaltungsverfahren für H2-Produktion.

Herr Shubham Chamola ist Doktorand und arbeitet bei Dr. Shahab Ahmad am IIT Jodhpur. Sein aktuelles Forschungsgebiet umfasst die Entwicklung leistungsstarker fotoaufladbarer Energiespeichergeräte.

Weitere Informationen zu ihren Forschungsaktivitäten finden Sie hier: sites.google.com/view/shahabahmad1/home?authuser=0