Diseño de electrodos de haluro de peroVskita y MOF para baterías soLares foTorecargables en un dispositivo integrAdo
La descarbonización de la energía para mitigar el cambio climático es uno de los mayores retos de nuestro tiempo y las celdas solares (SC) y las baterías de litio (LIB) son dos de las tecnologías más prometedoras para lograr un cambio real de los combustibles fósiles a la energía verde. Las SC convierten la energía solar renovable en energía eléctrica que se puede usar directamente, por su parte, las LIB son una fuente de energía portátil que almacena la energía en forma de energía química hasta que se necesita utilizarla como energía eléctrica. Ambas tecnologías han experimentado avances impresionantes en los últimos años y su uso está muy extendido en nuestra sociedad. Además, el mercado de las denominadas baterías solares, formadas por LIB acopladas a SC está creciendo extraordinariamente en los últimos años, dado que las LIB pueden complementar a las SC y ayudar a solucionar los desequilibrios existentes entre producción y consumo. Sin embargo, a pesar del creciente interés en que LIB y SC trabajen juntas, estas tecnologías se han desarrollado de forma independiente y trabajan en condiciones óptimas diferentes, lo que contrasta con la nueva era de la digitalización que demanda dispositivos autónomos más conectados, eficientes, inteligentes, fiables y sostenibles, con fuentes de energía renovables, portátiles e inalámbricas. En este contexto, los sistemas de almacenamiento electroquímico de energía solar (SEES) pueden cumplir todos los requisitos necesarios pero, a pesar de los avances en los últimos años, esta tecnología todavía no es una realidad. El proyecto VOLTA pretende fusionar ambas tecnologías (LIB y SC) en un solo dispositivo, mediante un elemento común que permita la conversión directa de la energía solar en energía electroquímica almacenable para su uso directo como energía eléctrica bajo demanda. Para lograr este elemento común, proponemos el diseño de redes metal-orgánicas (MOF) porque la variabilidad existente de sus componentes estructurales y su crecimiento cristalino posibilitan el ajuste fino de sus propiedades electrónicas y electroquímicas. Para lograr este objetivo, VOLTA plantea cuatro objetivos, con sus respectivos paquetes de trabajo, para alcanzar los indicadores clave de desempeño (KPI) fijados. El primer objetivo es establecer los fundamentos de MOF para lograr la síntesis de materiales capaces de actuar como cátodos en LIB y transportadores de huecos en celdas solares. El segundo objetivo es la optimización de los cátodos de MOF para baterías de litio, incorporando electrolitos basados en polímeros, lo que es necesario para poder trabajar bajo iluminación (requisito de las SC). El tercer objetivo es sustituir la capa superior de carbón del electrodo de las celdas solares infiltradas de perovskita de haluro con MOF diseñados para almacenar las foto-cargas por medio de un proceso electroquímico (requisito de las LIB) sin una pérdida de eficiencia significativa. El objetivo final es la fabricación de una batería reversible y foto-recargable basada en perovskitas de haluro como elemento que absorbe la radiación solar y electrodos de MOF. El proyecto VOLTA pretende ayudar a acelerar la creación de un modelo de energía basado en energía solar que sea sostenible y portátil.
Engineering halide peroVskite-MOF electrodes for soLar photorechargeable baTteries in an integrAted device
Energy decarbonization to mitigate climate change is one of the biggest challenges of our times. Two of the most promising technologies for the actual change from grey to green energy are solar cells (SCs) and lithium ion batteries (LIBs). The first technology converts renewable solar energy into directly usable electric energy, while the second is a portable power source that stores the energy in form of internal chemical energy until electrical energy is demanded. Both technologies have experienced impressive advances in recent decades and their use is widely spread in our society. Besides, the market of the named solar batteries, with the LIBs coupled to SCs, is increasing extraordinarily in the last years because LIBs can complement the SCs and satisfy the energy imbalances between production and consumption. Despite the growing interest in SCs and LIBs working together, the two technologies have been developed independently and work in different optimum conditions. This contrasts with the new digitalization era that demands autonomous devices more connected, intelligent, efficient, reliable and sustainable with portable, renewable, wireless energy source. In this context, solar electrochemical energy storage systems (SEESs) can fulfill these requirements, but this technology is not still a reality, despite the last advances in the latter years. VOLTA aims to fuse both SC and LIB technologies in a single device through a common element which permit direct solar energy conversion into storable electrochemical energy for its direct use as electric energy on demand. To find this common element we propose the design of metal-organic frameworks (MOFs) because their tunability in structural components and crystal growth allow fine adjustment of their electronic and electrochemical properties. To achieve this goal, VOLTA plans four objectives with their respective work packages to achieve the fixed key performance indicators. The first objective is to set the fundamentals of MOFs for the synthesis of customized materials for working as cathodes in LIBs and hole selective layer in solar cells. The second goal is the optimization of MOF cathodes for lithium batteries incorporating polymer based electrolyte, necessary to work under light illumination (SC condition). The third goal is to substitute the carbon top layer electrode of infiltrated halide perovskite SCs with designed MOFs to allow storing the photocharges by means of an electrochemical process (battery condition) without significant efficiency losses. The final objective is the fabrication of a photorechargeable and reversible battery based in halide perovskite light harvester and MOF electrodes. VOLTA project will help to expedite the creation of a clean, sustainable and portable energy model based on solar renewable energy.
Proyecto PID2022-140516OB-I00 (VOLTA) de investigación financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y por FEDER, UE.
