Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Fotoåteruppladdningsbara batterier (PBAT) har under de senaste åren blivit ett ämne av stort intresse inom energilagringsteknik. Dessa system, som kombinerar förmågan att både omvandla och lagra energi från solljus, erbjuder fördelar som effektivitet, hållbarhet och minskad volym-vikt ratio jämfört med traditionella system. En av de mest lockande aspekterna är att fotoaktiva material kan integreras direkt med energilagringsenheter, vilket gör att både omvandling och lagring av energi sker inom samma enhet, till skillnad från tidigare system där en solcell används för att generera elektricitet som sedan lagras i ett externt batteri eller superkondensator.
En av de mest framträdande fördelarna med dessa system är möjligheten att öka både energitäthet och effektkapacitet. Till exempel, under experiment med foto-superkondensatorer, visades det att två sammankopplade celler som utsattes för UV-ljus kunde lagra energi tillräckligt för att hålla en klocka igång i mer än fyra timmar efter endast tio sekunders laddning i dagsljus. Denna resultat har tydliggjort potentialen hos dessa integrerade system att tillhandahålla en hållbar lösning för energilagring, även under korta tidsintervall.
Den största utmaningen för utvecklingen av fotoåteruppladdningsbara batterier ligger dock i designen av elektroderna. För att optimera prestanda krävs att de elektrokemiskt aktiva ytorna på elektroderna är så stora som möjligt och att jonernas diffusionsvägar är så korta som möjligt. Detta gör att reaktionskinetiken förbättras och därigenom ökar både energitätheten och livslängden på batterierna. Det har visat sig att nanoskalig design av elektroder är avgörande för att förbättra effektiviteten hos dessa enheter.
För att undvika de förluster som är vanliga i separata system, där en solcell och ett batteri är kopplade via en extern ledning, har integrerade system utvecklats. Ett fotoåteruppladdningsbart batteri (PBAT) är ett sådant system, där fotoelektroder och lagringsenheter samverkar för att både omvandla och lagra solenergi. Dessa system kan delas in i två- eller treelektrodeskonfigurationer. I en trelektrodeskonfiguration fungerar fotoelektroden som den fotoaktiva materialytan, medan en motelektrod används för att överföra elektroner, och en energilagringsenhet lagrar de omvandlade elektronerna.
När fotoelektroden belyses av ljus genereras elektroner och hål, vilka sedan interagerar med elektrolyten och energilagringsenheten. I vissa fall kan externa spänningar behöva tillföras för att reducera de aktiva arterna i batteriet, vilket gör att batteriet inte enbart kan laddas med solenergi utan måste assisteras av en extern källa. I de mer avancerade tvåelektrodes PBAT-systemen är det möjligt att direkt omvandla och lagra solenergi genom att använda både fotoanod och fotokatod i samspel.
Ett av de mest kritiska aspekterna för att optimera prestanda i ett fotoåteruppladdningsbart batteri är valet av fotoelektrod. Den ideala fotoelektroden bör ha ett bandgap mellan 1 och 2 eV för att effektivt kunna absorbera ljus över ett brett spektrum, samtidigt som den måste vara stabil både kemiskt och termiskt under de spänningsförhållanden som råder under laddning och urladdning. Dessutom är det viktigt att fotoelektroden har god elektrisk ledningsförmåga för att säkerställa effektiv laddning och urladdning genom elektrolyten.
Materialvalet för fotoelektroden spelar en avgörande roll för effektiviteten hos PBATs. Vissa material, som siloxen-nanosheets, har visat sig ha utmärkta ljusabsorberande egenskaper och goda halvledarkarakteristika, vilket gör dem särskilt lovande i sådana system. Ett exempel på en sådan förbättrad prestanda är utvecklingen av ett bifunktionellt Li-O2-system där siloxen-nanosheets möjliggjorde mycket låg laddningsspänning och hög urladdning, vilket resulterade i en rundturseffektivitet på 185% och en imponerande cykellängd.
Utmaningarna med fotoelektroder är emellertid inte begränsade till optiska och kemiska problem. En annan svårighet är att förhindra rekombination av foto-genererade elektroner. Till exempel, i ett foto-assisterat Li-CO2-system har användning av material som SiC/RGO förhindrat denna rekombination och bidragit till bättre energiöverföring och högre energiutbyte, vilket resulterat i en effektivitet på 84,4%.
Dessa framsteg i fotoåteruppladdningsbara batteriers teknologi visar på den enorma potentialen hos integrerade solenergiomvandlings- och lagringssystem. Genom att övervinna de nuvarande begränsningarna, såsom låg ljusabsorption och hög laddningsrekombination, kan dessa batterier bli ett viktigt verktyg i strävan efter mer hållbara och effektiva energilagringslösningar.
Vad gör tvådimensionella halvledarmaterial (2D-SCM) så unika för framtidens teknik?
Tvådimensionella halvledarmaterial (2D-SCM) har under de senaste åren blivit föremål för intensiv forskning och uppmärksamhet inom den vetenskapliga gemenskapen. Deras exceptionella egenskaper, som härstammar från deras atomärt tunna lagerstruktur, skiljer dem markant från de traditionella tredimensionella materialen. Dessa material består vanligtvis av endast ett fåtal atomer i tjocklek, vilket ger dem förmågan att uppvisa fenomen och beteenden som är otypiska för andra material. Ett av de mest kända exemplen på 2D-SCM är grafen – en enskiktad struktur av kolatomer ordnade i ett hexagonalt gitter. Grafen har visat sig vara otroligt starkt, samtidigt som det har exceptionell elektrisk och termisk ledningsförmåga samt en mycket stor yta, vilket gör det användbart för en mängd olika applikationer, från elektronik till energilagring och sensorer.
Utöver grafen finns det en rad andra 2D-SCMs som har lika imponerande egenskaper. Till exempel, övergångsmetallkarbidder och -sulfider (TMDCs) såsom MoS2 och WSe2, som har unika optiska och elektroniska egenskaper på grund av deras lagerstruktur. I monolagerform uppvisar dessa material ett direkt bandgap, vilket gör dem särskilt attraktiva för optoelektroniska enheter som solceller och lysdioder. Även andra material som svart fosfor (BP), MXener och lager av metalloxider spelar en betydande roll i den pågående utvecklingen av 2D-SCM, tack vare deras anpassningsbara bandgap, stora ytor, mekaniska flexibilitet och överlägsna laddningsmobilitet.
Den stora potentialen för 2D-SCMs är främst kopplad till deras förmåga att anpassa sig till en rad olika applikationer. Deras extraordinära elektriska och optiska egenskaper gör dem särskilt användbara för elektroniska enheter som transistorer, integrerade kretsar och flexibla elektroniska enheter. Grafen, som exempel, har utforskats för höghastighetstransistorer och genomskinliga ledande elektroder, och TMDCs, med sina direktbandgap, har potential att revolutionera fältet för solceller och ljusavkännande enheter.
Forskningen om 2D-SCMs har också lett till utvecklingen av nya enhetsstrukturer och tillämpningar som har potential att omvandla elektronik, energilagring, katalys och optoelektronik. Eftersom materialen är så tunna och lätta att manipulera, har forskare möjlighet att skapa avancerade nanostrukturer och heterostrukturer som kan förbättra prestandan hos olika enheter, särskilt i applikationer där hög effektivitet och låg energiförbrukning är avgörande.
En annan aspekt som gör 2D-SCMs intressanta är deras förmåga att skapa tunna, flexibla och bärbara enheter. Deras mekaniska flexibilitet gör det möjligt att integrera dem i bärbara teknologier och nästa generations elektronik, som böjbara skärmar eller implantatbara enheter. Detta gör dem till kandidater för en mängd olika teknologiska framsteg, där traditionella material inte räcker till. Deras användning inom energilagring är också lovande, eftersom de kan bidra till att skapa mer effektiva batterier och kondensatorer, vilket är en central aspekt av den globala strävan efter att utveckla hållbara energilösningar.
Däremot är det också viktigt att förstå att även om potentialen för 2D-SCMs är stor, står forskningen fortfarande inför många utmaningar. De unika egenskaperna hos dessa material innebär att det finns en hel del problem med deras tillverkning, stabilitet och integration i praktiska applikationer. Till exempel, trots deras imponerande elektriska egenskaper, kan vissa av dessa material vara känsliga för luft och fukt, vilket kan försämra deras prestanda och hållbarhet över tid. Dessutom är det fortfarande en pågående strävan att optimera tillverkningsmetoderna för att producera dessa material i stor skala, vilket krävs för att kunna integrera dem i kommersiella applikationer.
Det är också nödvändigt att forskarna inte bara fokuserar på att förbättra materialens tekniska egenskaper, utan också på att säkerställa att de kan produceras och användas på ett hållbart sätt. Detta innebär att man måste ta hänsyn till miljöpåverkan och de ekonomiska kostnaderna för produktionen av 2D-SCMs, samt deras återvinning och livscykel.
Förutom de tekniska och praktiska aspekterna är det också viktigt att förstå de potentiella etiska och samhälleliga konsekvenserna av den snabba utvecklingen av 2D-SCM-teknologier. Eftersom dessa material har så stor potential att förändra många sektorer, kan de också ha djupgående effekter på arbetsmarknader, ekonomier och sociala strukturer. Det är därför viktigt att föra en diskussion om hur dessa teknologier bör implementeras på ett ansvarsfullt och hållbart sätt.