지난 10월, 오하이오 주립 대학 연구원들은 단일 소자로 태양전지와 리튬-산소 (Li-O2) 배터리를 결합한 세계 최초의 태양 배터리를 만들었다. 태양 배터리 개념의 주요 매력은 하나의 소자 내 화학 에너지로 태양 에너지를 수확, 전환, 저장할 수 있기 때문에 다수의 소자들 간의 전자 전이 시 발생하는 손실을 줄일 수 있다는 것이다. 연구원들은 이 집적화가 약 25%까지 전체 비용을 줄일 수 있다고 예측하고 있다.

태양 충전 Li-O2 배터리가 새롭고 유망한 개넘을 보였지만, 단점을 가지고 있다. 이는 소자의 성능을 제한하도록 비수용성이며 이로써 수용성 (물기반) 산화환원 흐름 배터리와 비견될 수 있는 유기 용매들로 만들어지는 것이다. 또한 이런 유기 용매들은 환경적인 충격과 가격에 많은 문제를 동반하고 있다.

최근 미국 화학회 저널에 게재된 새로운 논문에서 오하이오 주립 대학 교수 이잉 우 박사와 그의 연구그룹은 더 환경 친화적이며 가격 효율적인 요오드 산화환원 기반 수용성 용액을 가지고 유기 용매들을 대체하는 태양 배터리를 개발하기 위해 그들의 초기 디자인을 개선했다. 새로운 소자는 염료 감응 태양 전지를 가진 수용성 Li-I 산화환원 흐름 배터리이다. 이런 상호호환성은 전체 성능을 개선하고 태양 배터리를 상용화하는데 더 가깝게 하도록 이 소자가 더 높은 전압에서 작동하게 해 주고 있다.

우 박사는 최고의 성능 개선은 태양 배터리에 대한 플랫폼으로 수용성 흐름 배터리의 확인과 실현이라고 전했다. 흐름 배터리는 재료 선택에서 유연하며, 변형되고 확장가능하다. 또한 이 소자는 고정 저장, 단독 전력과 전기 자동차 응용들에 고려되고 있다. 우 박사는 그들의 수용성 흐름 태양 배터리가 자발적인 태양 에너지 전환과 저장 개념이 실용적인 응용들에 한층 가까워지게 하는 중요한 단계라고 강조했다.

충전 과정 중 태양광에 노출될 때, Li-I 태양 배터리는 일반적인 Li-I 배터리에 비해 일반적인 에너지 원들에서 20% 적은 에너지를 이용하는 것을 의미하는 태양에서 충전 에너지의 약 20%를 얻는다. 광보조 충전 과정은 광전극으로 전자들을 광여기하고 주입하는 원인이 되는 염료 분자들을 태양이 비출 때 발생한다. 이 광전극은 일반적인 음극과 양극에 부가된 이 배터리의 세 번째 전극이다. 광여기 전자들은 방전 전압보다 훨씬 더 낮은 값으로 외부 에너지 원에서 제공되는 충전 전압을 줄이는 배터리에 광전압을 제공한다. 연구원들이 설명하는 것처럼 이 특색은 태양 에너지 입력없이 열 운동학적으로 불가능하다.

연구원들은 태양 배터리 디자인의 중요 요소는 전해질이 친수성 수용성 Li-I 배터리과 염료 감염 태양 전지 광전극의 반수성 표면을 연결하기 때문에 전해질이라고 설명했다. 이 전해질은 반수성 광전극 표면을 친수성 전해질이 젖게 할 수 있는 다양한 첨가물과 함께 배터리의 전기화학적인 반응들에 기본인 리튬 요오드화물 염 (LiI)이 포함된 몇 가지 화학물질들로 구성된다. 두 성분들 사이 표면 습윤 각은 태양 전기에서 배터리로 저하를 효율적으로 이동시키는데 기본이 된다.

시험들은 Li-I 태양 배터리가 일반적인 Li-I 배터리와 비슷한 이론적인 용량(2M LiI이용하여 35.7 Ah/L)을 가지는 것을 보였다. 또한 이 소자는 적어도 25 주기 동안 전체 용량을 유지하는 좋은 주기성을 가지고 있다. 하지만, 전체 용량에 0.1mL 전해질을 가지고 이 소자를 광충전하는데 약 16.8시간이 현재 걸리며 이 긴 충전 시간은 개선이 요구되는 가장 큰 문제점들 중 하나이다. 연구원들은 다른 전략들 중 수용성 호환 광전극의 효율을 개선하여 이 문제를 풀 계획이다.

향후, 과학자들은 배터리 화학과 태양 전지 광전기화학의 다른 결합에 이 태양 배터리 디자인 중 몇 가지 개념들을 확장할 계획이다. 하나의 가능성은 나트륨이 매우 풍부하고 제조비용이 싸기 때문에 양극으로 리튬 대신 나트륨을 이용하는 태양 배터리를 개발하는 것이다.

우 박사는 태양 배터리의 광충전 시간을 개선하고 전체 광충전을 이루는 것이 자신들의 목표이며 이 기술이 그리드 크기 고정 태양 에너지 전환과 저장에 대한 응용으로 상용화될 것이라고 말했다.

그림 설명: (왼쪽) 성능, 가격, 환경 친화성 측면에서 유기 용매에 비해 장점들을 가지는 수용성 전해질을 가진 새로운 Li-I 태양 흐름 배터리의 개념도. (오른쪽) 태양 배터리가 빛에 노출될 때, 이 소자가 태양 전지에 의해 충전되고 있어서 외부 원에서 요구되는 전압이 즉시 감소된다.

참고 자료: Mingzhe Yu, et al. "Aqueous Lithium–Iodine Solar Flow Battery for the Simultaneous Conversion and Storage of Solar Energy." Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.5b03626

[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 20일]

Last October, researchers at Ohio State demonstrated the world's first solar battery—a solar cell and a lithium-oxygen (Li-O2) battery combined into a single device. The main attraction of the solar battery concept is that, because it can harvest, convert, and store solar energy as chemical energy all in one device, it eliminates losses that occur when transferring electrons between multiple devices. The researchers estimate that this integration can potentially reduce overall costs by about 25%.

Although the solar-charged Li-O2 battery represented a novel and promising concept, it had a drawback: its electrolyte was made of organic solvents, which are non-aqueous and therefore not compatible with aqueous (water-based) redox flow batteries, limiting the device's performance. Organic solvents also face problems with environmental impact and cost.

Now in a new paper published in the Journal of the American Chemical Society, Ohio State Professor Yiying Wu and his research group have improved upon their original design by developing a solar battery that replaces the organic solvents with a more environmentally friendly and cost-effective iodine redox-based aqueous solution. The new version is an aqueous lithium-iodine (Li-I) solar flow battery, which integrates an aqueous Li-I redox flow battery with a dye-sensitized solar cell. This compatibility allows the device to operate at a higher voltage, improving its overall performance and bringing the solar battery a step closer to commercialization.

"I think the greatest significance is the identification and demonstration of aqueous flow batteries as the platform for solar batteries," Wu told Phys.org. "Flow batteries are flexible in materials selection. They are modular and scalable, and are being considered for applications in stationary storage, stand-alone power and electric vehicles. Our aqueous flow solar battery is an important step that brings this simultaneous solar energy conversion and storage concept closer to practical applications."

When exposed to sunlight during the charging process, the Li-I solar battery receives about 20% of its charging energy from the sun, meaning it uses 20% less energy from conventional energy sources compared to conventional Li-I batteries. The photoassisted charging process occurs when sunlight illuminates the dye molecules, causing them to become photoexcited and inject their electrons into the photoelectrode—the battery's third electrode, in addition to the conventional cathode and anode. The photoexcited electrons supply a photovoltage to the battery, which reduces the charging voltage (which is supplied by external energy sources) to a value that is even lower than the discharging voltage. As the researchers explain, this feat would be thermodynamically impossible without the solar energy input.

The researchers explain that the key component of the solar battery design is the electrolyte because it bridges the hydrophilic aqueous Li-I battery and the hydrophobic surface of the dye-sensitized solar cell photoelectrode. The electrolyte consists of several ingredients, including lithium iodide salt (LiI), which is essential for the battery's electrochemical reactions, along with various additives that allow the hydrophilic electrolyte to wet the hydrophobic photoelectrode surface. This surface-wetting contact between the two components is essential for efficiently transferring charge from the solar cell to the battery.

Overall, tests showed that the Li-I solar battery has a theoretical capacity (35.7 Ah/L with 2M LiI) close to that of conventional Li-I batteries, and it can be photocharged to about 91% of its theoretical capacity. It also appears to have good cyclability, retaining its full capacity for at least 25 cycles. Unfortunately, it currently takes about 16.8 hours to photocharge the device with a 0.1-mL electrolyte to its full capacity, and this long charge time is one of the biggest areas in need of improvement. The researchers plan to address this problem by improving the efficiency of the aqueous-compatible photoelectrode, among other strategies.

In the future, the scientists also plan to extend some of the concepts in this solar battery design to other combinations of battery chemistry and solar cell photoelectrochemistry. One possibility is developing solar batteries that use sodium instead of lithium as the anode, since sodium has been gaining appeal due to its wide abundance and inexpensive fabrication costs.

"Improving the solar battery's photocharging rate and achieving full photocharging are among our goals," Wu said. "We hope this technology will ultimately be commercialized for applications in grid-scale stationary solar energy conversion and storage."

 

[원문출처 : http://phys.org/news/2015-07-solar-battery-energy-sun.html]