Opto-ionische batterij slaat zonne-energie tot 48 uur lang op

Energie

Redactieteam van de website voor technologische innovatie - 22-05-2025

Het team heeft een project opgezet om het concept van opto-ionische zonnebatterijen verder te ontwikkelen. [Afbeelding: SolBat Project/Openbaarmaking]

Zonnebatterij

Om het probleem van de intermitterende stroomuitval van zonne-energie op te lossen (wanneer de zon ondergaat, stopt de opwekking) gebruiken we batterijen . Een set batterijen die dezelfde hoeveelheid energie kan leveren als overdag, is echter erg duur.

Bibhuti Rath en collega's van de Technische Universiteit van München in Duitsland hebben nu een veel betere oplossing bedacht: een 'zonne-reservoir'. Een soort batterij die echter, in tegenstelling tot de huidige, energie opslaat en deze lang na zonsondergang weer als elektriciteit afgeeft, zodat er ook 's nachts elektriciteit beschikbaar is.

Dit is de eerste keer dat het oogsten van zonne-energie en langdurige energieopslag zijn gecombineerd in één metaalvrije moleculaire structuur. Daarmee worden de functies van een zonnecel en een batterij effectief verenigd in één lichtgewicht en duurzaam systeem: een echte zonnebatterij .

Dit was mogelijk dankzij een type zeer poreus keramiek, bekend als een covalent organisch raamwerk of COF, een organische versie van de beter bekende metaal-organische raamwerken of MOF's . De eliminatie van metalen vereenvoudigt alles, van de productie van het materiaal tot een aanzienlijke kostenbesparing.

Het tweedimensionale materiaal, gemaakt van naftaleendiimide, absorbeert niet alleen zonlicht, maar stabiliseert ook de resulterende foto-geïnduceerde ladingen, waardoor energieopslag gedurende meer dan 48 uur in waterige omgevingen mogelijk is - dit type materiaal, dat de beweging van ionen door de werking van fotonen mogelijk maakt, staat bekend als opto-ionisch.

De opgeslagen ladingen blijven in het materiaal aanwezig en kunnen later actief worden ontladen om een ​​externe belasting van stroom te voorzien. Zo kan de opgeslagen energie gedurende de dag praktisch worden gebruikt. "Dit materiaal heeft een dubbele functie: het absorbeert de zonnestraling en fungeert als een langdurige ladingsopslag", aldus Bhusan. "De prestaties ervan overtreffen die van veel bestaande opto-ionische materialen – en dat zonder dat er metalen of zeldzame elementen nodig zijn."

Hoewel ionen van cruciaal belang zijn voor de zonnebatterij, is water het fundamentele element voor de werking ervan. [Afbeelding: Bibhuti Bhusan Rath et al. - 10.1021/jacs.4c17642]

Water is cruciaal

Door optische, elektrochemische en computationele technieken te combineren, ontdekten de onderzoekers dat water een centrale rol speelt bij het stabiliseren van opgeslagen elektrische ladingen.

In plaats van sterk te interacteren met ionen van buitenaf, reageren watermoleculen op zodanige wijze op ladingen in de COF-structuur dat er een energetische barrière ontstaat. Zo wordt recombinatie van de door licht gegenereerde gevangen ladingen effectief voorkomen en wordt de energie bewaard voor latere vrijgave.

Het materiaal heeft een ladingopslagcapaciteit van 38 mAh/g en presteert daarmee beter dan vergelijkbare structuren en andere lichtgevoelige materialen, zoals koolstofnitriden en metaalorganische raamwerken.

Het testapparaat vertoonde een uitstekende cyclische stabiliteit wat betreft organische materialen, met een capaciteitsbehoud van meer dan 90% na enkele tientallen laadcycli, en een behoud van 50% na 1.500 cycli.

"Dit werk benadrukt het potentieel van organische structuren om te worden afgestemd op geavanceerde energietoepassingen - met alleen organische bouwstenen en water", aldus professor Betina Lotsch. “Dit markeert een belangrijke stap in de richting van duurzame, op materialen gebaseerde energieopslagoplossingen en off-grid-toepassingen.”

Ander nieuws over:

Meer onderwerpen