Les cellules solaires inspirent Li

Dialogue du 8 mai 2023

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par Shubham Chamola et Shahab Ahmad, Tech Xplore

L'énergie solaire est à l'avant-garde de la transition mondiale vers la production de sources d'énergie durables et la lutte contre la pauvreté énergétique. Cependant, la nature intermittente de l'énergie solaire limite son utilisation pour des applications telles que les appareils IoT, la télédétection en direct et une alimentation électrique hors réseau. Classiquement, les batteries sont alimentées par des cellules solaires pour stocker l'énergie pour une utilisation ultérieure. Cependant, la combinaison physique de ces deux technologies nécessite un emballage séparé des deux systèmes, est lourde à installer et nécessite plus d'électrodes, ce qui augmente le coût et les pertes ohmiques dans le dispositif.

De plus, ces panneaux et batteries photovoltaïques (PV) physiquement connectés utilisent différents types de matériaux énergétiques pour réaliser à la fois la récupération et le stockage de l'énergie, ce qui rend le système global encombrant. Par conséquent, ces problèmes limitent les applications.

Dans ce contexte, les batteries photorechargeables (PRB) démontrées peuvent fournir une solution prometteuse pour surmonter les limitations associées à l'intégration physique des PV et des batteries. Un PRB peut effectuer simultanément la collecte et le stockage de l'énergie solaire dans un seul appareil à l'aide de nanomatériaux avancés, qui peuvent effectuer efficacement la collecte et le stockage de l'énergie. Cette technologie de pointe promet d'être légère et efficace par rapport à la combinaison conventionnelle existante de PV et de batteries.

Dans leur étude publiée dans Advanced Sustainable Systems, des chercheurs du Advanced Energy Materials Lab, Department of Physics de l'Indian Institute of Technology Jodhpur, ont démontré que les nanotiges d'oxyde de fer (également appelées hématite) peuvent fonctionner comme un matériau actif pour former des nanofils efficaces et à faible photocathodes à faible coût pour les applications PRB. La capacité spécifique théorique élevée (1006 mAh g-1), l'abondance de terre, la non-toxicité, le respect de l'environnement et les techniques de traitement réduites font de la phase alpha de l'oxyde de fer un matériau d'anode attrayant pour les batteries lithium-ion.

Les nanorods d'oxyde de fer ont montré la capacité de récolter simultanément le rayonnement solaire dans la région visible en raison de leur bande interdite d'environ 2,1 eV et de stocker efficacement les Li-ions. Ce travail fournit la première démonstration de la photocharge autonome en explorant le mécanisme de réaction de conversion où une amélioration de plus de 90 % de la capacité spécifique de la batterie lithium-ion est obtenue lors de l'illumination solaire.

"Les photocathodes hautement nanoporeuses sont fabriquées à l'aide d'hématite, de carbone C-61 (PCBM) et de nanotubes de carbone. L'hématite peut absorber la lumière du soleil et produire des porteurs de charge photogénérés, tandis que les additifs conducteurs de PCBM et de nanotubes de carbone ont fourni une voie appropriée pour que les électrons photogénérés atteignent le collecteur de courant. et lancer la photocharge", a déclaré Shubham Chamola, le premier auteur de l'article de recherche.

Les nanotiges d'oxyde de fer nanoporeux sont fabriquées en utilisant une technique de traitement de solution à faible coût dans laquelle les nanotubes de carbone sont fonctionnalisés avec du PCBM et mélangés avec la solution NMP de nanoparticules d'hématite, ce qui a entraîné la croissance de nanotiges de Fe2O3 sur des faisceaux de nanotubes de carbone. Pour assembler la batterie photorechargeable, les chercheurs ont utilisé un boîtier de pile bouton 2032 modifié avec un trou de 8 mm de diamètre percé sur le fond pour servir de fenêtre optique pour coupler la lumière. Cette fenêtre a été scellée avec une feuille de PVC transparente et la photocathode à base de matériau actif a été placée face à la fenêtre.

Le PRB a montré une charge indépendante lorsqu'il est éclairé par une LED bleue de 470 nm, atteignant une efficacité de photoconversion et de stockage (PCSE) de 1,988%, ce qui est une réalisation significative dans le domaine des PRB par rapport aux résultats publiés précédemment basés sur l'ion à base d'intercalation stockage. Sous un éclairage LED à lumière blanche à un taux de courant élevé de 2 000 mA g-1, le PRB a montré une amélioration de 92,96 % des capacités spécifiques. Lorsque le PRB est exposé à la lumière, les nanotiges de Fe2O3 absorbent des photons d'énergie supérieure à leur bande interdite d'énergie et génèrent des porteurs de charge photogénérés à la photocathode. Les additifs conducteurs fournissent une voie favorable pour que les photoélectrons atteignent le collecteur de courant et plus loin l'anode à travers un circuit externe.

Simultanément, les phototrous présents dans Fe2O3 oxydent Fe0 en Fe3+, ce qui fournit une répulsion au Li+ vers l'anode Li-métal via l'électrolyte. En conséquence, les Li-ions sont réduits à l'anode pour former du Li-métal, ce qui entraîne une photocharge. Ce phénomène a été davantage démontré en enregistrant l'OCV sous une décharge résistive et lorsque la lumière a été allumée, l'OCV a commencé à augmenter - un phénomène contraire à ce à quoi on pourrait normalement s'attendre. Cela suggère que plus de porteurs de charge photogénérés sont présents que nécessaire pour répondre à la demande actuelle de décharge du PRB.

Ce phénomène pourrait être bénéfique lorsqu'un fonctionnement continu des capteurs est requis, rendant les PRB capables de se recharger pendant la journée et d'utiliser l'énergie stockée pour alimenter les appareils la nuit ou lorsqu'il n'y a pas de lumière solaire. Le mécanisme sous-jacent a été étudié plus en détail en effectuant diverses mesures électrochimiques, telles que l'analyse OCV sous différentes résistances, la spectroscopie d'impédance électrochimique et la voltamétrie cyclique dans des conditions sombres et éclairées. De plus, le PRB a pu alimenter une LED 3V commerciale même après trois mois de fabrication, montrant que les PRB à base de nanorods d'oxyde de fer démontrés sont très stables et ne souffrent pas de problèmes d'autodécharge.

"Les PRB sont porteurs de promesses importantes pour la solution énergétique futuriste ; cependant, cette technologie en est encore à ses balbutiements et nécessite des recherches approfondies pour le développement de matériaux efficaces et une compréhension du mécanisme au niveau atomistique avant de pouvoir rivaliser avec le Si solaire intégré établi. cellules et la technologie des batteries Li-ion », a déclaré le Dr Shahab Ahmad, chercheur principal du projet.

Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur ScienceX Dialog et comment participer.

Plus d'information: Shubham Chamola et al, Batteries Li‐Ion photorechargeables hautes performances basées sur des photocathodes nanoporeuses Fe2O3, Advanced Sustainable Systems (2023). DOI : 10.1002/adsu.202300043

Le Dr Shahab Ahmad travaille actuellement en tant que membre du corps professoral du Département de physique de l'IIT Jodhpur et dirige le "Advanced Energy Materials Group". Auparavant, il a beaucoup travaillé sur les matériaux et dispositifs énergétiques à l'Université de Cambridge, au Royaume-Uni. Ses domaines de recherche comprennent les batteries Li-ion, les batteries Li-ion photo-rechargeables, les pérovskites aux halogénures métalliques pour les applications photovoltaïques et le processus de séparation de l'eau assistée par l'énergie solaire pour Production d'H2.

M. Shubham Chamola est étudiant au doctorat et travaille avec le Dr Shahab Ahmad à l'IIT Jodhpur. Son domaine de recherche actuel comprend le développement de dispositifs de stockage d'énergie photo rechargeables à haute performance.

Plus d'informations sur leurs activités de recherche peuvent être trouvées ici : sites.google.com/view/shahabahmad1/home?authuser=0