Een foto-oplaadbare, loodvrije perovskiet-lithium-ionbatterij die energie genereert en opslaat

Een team van onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) heeft een goedkope, lichtgewicht en niet-giftige (loodvrije) fotobatterij ontwikkeld die dubbele functies heeft bij het oogsten van zonne-energie en het opslaan van energie op een enkel apparaat , waardoor het mogelijk is om een ​​batterij onder de zon op te laden, zonder dat je het apparaat in het stopcontact hoeft te steken.

De toenemende vraag naar duurzame energiebronnen heeft geleid tot een grote belangstelling voor zonne-energie en de ontwikkeling van opslagapparatuur daarvoor. Eén zo’n apparaat, de fotobatterij, is in staat om zowel energie op te wekken als op te slaan in een architectuur met één apparaat. In theorie zou dit ontwerp een verhoogde energieopslagefficiëntie en energiedichtheid mogelijk moeten maken, terwijl de ohmse verliezen worden verminderd, de verpakkingsvereisten worden versoepeld en dus het gewicht, de massa en de kosten van het systeem worden verlaagd. In werkelijkheid leidt de slechte interface tussen materialen echter vaak tot problemen met het transport van de lading, waardoor de efficiëntie aanzienlijk wordt verminderd in vergelijking met het eenvoudige systeem van een zonnecel die is aangesloten op een externe batterij.

Een team onder leiding van prof. Jonathan Eugene HALPERT, assistent-professor van de afdeling scheikunde aan de HKUST, heeft vooruitgang geboekt in de richting van de ontwikkeling van efficiëntere fotobatterijen door de bruikbaarheid van een klasse van materialen die bekend staat als perovskiet uit te breiden, die toepassingen heeft gehad in zonnecellen en de meeste onlangs in batterijen. Het perovskiethalogenide dat het team ontwikkelde, fungeert als een foto-elektrode die energie kan oogsten onder verlichting zonder de hulp van een externe belasting in een lithium-ionbatterij, en staat in schril contrast met zijn bestaande tegenhanger omdat het geen lood bevat en daarom een ​​hogere stabiliteit in lucht en is vrij van de zorgen van loodvergiftiging. Voor hun onderzoek heeft het team lood vervangen door bismut (Bi), een niet-toxisch element, dat een sterk lichtabsorberend kristallijn materiaal vormt.

Een fotogeladen Cs₃Bi₂I₉ perovskiet-fotobatterij die een rode LED van 1,8 V van stroom voorziet. Krediet: de Hong Kong University of Science and Technology

De lithium-ionbatterij werkt door elektronen van een hoge energietoestand naar een lagere te laten gaan, terwijl ze in een extern circuit werken. De fotobatterij heeft een mechanisme dat vergelijkbaar is met een gewone batterij, behalve dat er geen stroom aan hoeft te worden gegeven of dat deze niet in de muur hoeft te worden gestoken om elektrisch te worden opgeladen, maar dat deze foto-elektrisch kan worden opgeladen onder de zon. Het actieve materiaal in deze nieuwe batterij is het loodvrije perovskiet dat, wanneer het onder licht wordt geplaatst, een foton absorbeert en een paar ladingen genereert, bekend als een elektron en een gat. Het team voerde chrono-amperometrie-experimenten uit onder licht en in het donker om de toename van de laadstroom veroorzaakt door het licht te analyseren, en registreerde een fotoconversie-efficiëntie van 0,428% bij het fotoladen van de batterij na de eerste ontlading. De volgende stap van het team is om te experimenteren met verschillende materialen voor betere prestaties en efficiëntie, zodat de fotobatterij op de markt kan worden gecommercialiseerd.

“Op dit moment pluggen we al onze apparaten in het stopcontact om ze op te laden. Met de verdere ontwikkeling op dit gebied van fotobatterijen hoeven we ze in de toekomst misschien helemaal niet meer aan te sluiten”, zegt prof. Halpert. “Misschien kunnen we zonne-energie oogsten en gebruiken om te voldoen aan de stroomvereisten van alle apparaten met een bescheiden stroombehoefte. Ons werk is een van de eerste stappen die op dit gebied zijn genomen en er zullen natuurlijk veel verbeteringen nodig zijn om betere prestaties te bereiken, maar we zijn ervan overtuigd dat we de stabiliteit en gemiddelde efficiëntie kunnen verbeteren met verdere verfijning.”

Deze fotobatterij kan dienen als de ingebouwde batterij voor apparaten zoals smartphones of tablets, en zelfs toepassingen voor energieopslag op afstand, wat gemakkelijk kan worden gemaakt met deze fotobatterijen omdat ze lichtgewicht en draagbaar zijn. Het zou ook moeten helpen de productiekosten te verlagen in vergelijking met een systeem dat bestaat uit een zonnecel plus een externe batterij, aangezien alleen het batterijgedeelte nodig is.

Deze studie is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano-letters.