Baterías recargables con energía solar, basadas en polímeros nano-estructurados
El déficit energético actual y la contaminación a nivel mundial, han favorecido una nueva revolución, con miras a la generación de energía a partir de fuentes inagotables y limpias para el medio ambiente. Esto ha conllevado a desarrollar nuevas tecnologías que, entre otras, apuntan al uso de energía...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2017 |
| País: | Chile |
| OAI Identifier: | oai:repositorio.anid.cl:10533/236532 |
| Acceso en línea: | https://hdl.handle.net/10533/236532 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Ciencias Naturales Ciencias Químicas Electroquímica |
| Sumario: | El déficit energético actual y la contaminación a nivel mundial, han favorecido una nueva revolución, con miras a la generación de energía a partir de fuentes inagotables y limpias para el medio ambiente. Esto ha conllevado a desarrollar nuevas tecnologías que, entre otras, apuntan al uso de energía solar, basándose en las propiedades fotovoltaicas de ciertos materiales. En esta área, algunos semiconductores y/o silicio tienen elevados porcentajes de eficiencia en la conversión fotovoltaica, superando el 20 %, sin embargo, este tipo de compuesto ofrece dificultades al momento de ser desechados, especialmente, por la presencia de metales nocivos. En este ámbito, los polímeros conductores (CPs) han surgido como la gran solución -a pesar de presentar eficiencias en la foto-conversión que, a la fecha, recién se acercan a 10 %-, debido a que los tratamientos posteriores a su vida útil no contribuyen a la contaminación. A pesar de los grandes avances para mejorar la eficiencia de dispositivos fotovoltaicos, aún es necesario acoplarlos a baterías o acumuladores, ya que su energía no se puede utilizar directamente, lo que disminuye su versatilidad y restringe su uso a fuentes estacionarias. Por ello, se hace muy interesante el desarrollo de baterías recargables solarmente, que permitan independencia de otros tipos de energía, ya que todas las baterías en el mercado son recargadas eléctricamente, transformando al sistema en un círculo vicioso. En esta tesis se presenta el estudio realizado para desarrollar una batería recargable solarmente, a partir de materiales de dimensiones nano-métricas, utilizando un cátodo constituido por nano-hilos de polipirrol (PPy-nw) y un foto-ánodo, constituido por óxido de titanio/colorante/nano-hilos de poli-3,4-etiléndioxitiofeno (TiO2/colorante/PEDOT-nw) que, al estar soportado sobre un electrodo transparente, permite el libre paso de la luz solar, destacando que tanto ánodo como cátodo son fabricados por vía electroquímica. De esta manera -y en una primera etapa-, se observa que el tipo de perturbación electroquímica aplicada para la electropolimerización, junto con el electrólito soporte, son fundamentales para lograr una buena estabilidad del proceso de carga/descarga. A partir de estos resultados, se establecen las condiciones para la fabricación de dispositivos basados en PEDOT y PPy, con vista a su utilización como acumuladores de energía. Posteriormente, los depósitos poliméricos son electrogenerados en forma de nano-hilos, usando un template, cuya ventaja es la generación directa de las nano-estructuras sobre la superficie electródica que se utiliza y se asegura el control del proceso, lo que se traduce en elevada reproducibilidad y repetibilidad. Así, se encuentra que la modificación de electrodos con PEDOT-nw y con PPy-nw usando esta metodología presenta resultados muy promisorios, con cargas de doping/undoping entre 350 y 500 veces mayor que la de los respectivos polímeros en su forma maciza, sin disminuir la reversibilidad. Los resultados de los estudios fotovoltaicos de foto-ánodo de TiO2|PEDOT en ausencia y presencia de dos colorantes, uno comercial y otro sintetizado en nuestro laboratorio, dan cuenta de mayor eficiencia cuando se usa nano-estructuras de PEDOT, aumentando respectivamente en dos y un orden de magnitud, con respecto a foto-ánodos modificados con PEDOT macizo, lo que se explica por la considerable disminución de la recombinación en el transporte del par electrón-hueco (e-–h+). Paralelamente, se ensaya diferentes combinaciones de ánodos y cátodos modificados con los polímeros nano-estructurados y macizos, analizando principalmente la ciclabilidad y densidad de energía específica, en diferentes electrólitos y disolventes. De este modo, se comprueba que un dispositivo construido solo con las nano-estructuras presenta una ciclabilidad superior a 200 ciclos y una densidad de energía específica cercana a 30 Whg-1, lo cual constituye un avance significativo en este ámbito. Finalmente, a partir de CPs nano-estructurados, ha sido posible construir un dispositivo acumulador de carga, recargable con energía solar, que permite total independencia de la electricidad. Así, desde este importante avance, es posible proyectar el desarrollo de un dispositivo comercial, a partir de su desarrollo industrial, ya que, además de su eficiencia y de la foto-recarga, presenta propiedades tan relevantes como pequeño volumen (no superior a 0,3 cm3) y baja masa. |
|---|