Desarrollan proceso para la fabricación de células solares a partir de baterías en desuso

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Investigadores de MIT Energy Initiative han desarrollado un procedimiento simple para la fabricación de un tipo de células solares, utilizando el plomo recuperado de las baterías de plomo-ácido en desuso.

Al momento, los experimentos realizados en laboratorio confirman que las células solares fabricadas con este nuevo procedimiento, funcionan tan bien como las fabricadas con materiales de alta pureza; por lo que el reciclado de baterías podría apoyar la producción de células solares nuevas, mientras los investigadores continúan trabajando para reemplazar el plomo con un material más benigno ambientalmente, pero igualmente eficaz.

Actualmente la atención de la comunidad solar está centrada en el desarrollo de la perovskita como material fotovoltaico, por ser un material abundante, de fácil procesamiento a bajas temperaturas y que permite obtener células solares delgadas, ligeras y flexibles.

Al respecto, la investigadora del MIT Angela Belcher; dijo “Las células solares de perovskita han demostrado en laboratorios de investigación, que pronto podrían ser tan eficientes como las células solares comerciales actuales basadas en silicio, que han alcanzado los rendimientos actuales sólo después de muchas décadas de intensa investigación y desarrollo”.

Con respecto al incremento de la eficiencia de las células de perovskita, la investigadora destacó el rápido crecimiento que se ha dado en el transcurso de un par de años, que ha permitido pasar de eficiencias de un pequeño tanto por ciento; para avanzar rápidamente a valores de 6%, 15%, y 20% de eficiencia actualmente.

Diversos grupos de investigación están trabajando para mejorar sus prototipos de laboratorio y para que sean menos susceptibles a la degradación cuando se expone a la humedad; pero persiste una preocupación en ellos, las células solares más eficientes de perovskita; contienen plomo; lo cual llamó la atención de Belcher y su colega Paula Hammond, Profesora en Ingeniería y Jefe del Departamento de Ingeniería Química en el MIT; quienes han pasado décadas en el desarrollo de procedimientos de síntesis ambientalmente amigables, para generar materiales para aplicaciones de energía como las baterías y células solares.

Aunque el plomo es tóxico, en dispositivos de consumo puede ser encapsulado en otros materiales por lo que no puede escapar y contaminar el medio ambiente, y además se puede reciclar.

Pero la minería de plomo y su refinación plantean serias cuestiones ambientales, como ser la liberación de vapores tóxicos y emisiones de polvo, alto consumo de energía y emisión de gases de efecto invernadero. Por lo tanto, los equipos de investigación en todo el mundo, incluyendo Belcher y Hammond; han estado buscando activamente un reemplazo para el plomo en las células solares perovskita. Pero hasta ahora, nada ha demostrado ser tan eficaz.

Ante la dificultad de sustituir el plomo en las células de perovskita, en el año 2013 los investigadores del MIT proponen una alternativa: “Pensamos, ¿y si nos dieron la ventaja de otra fuente?”, recuerda Belcher. Y una posibilidad en ese sentido, es la utilización de las baterías de automóvil de plomo-ácido en desuso. Hoy en día, estas baterías son recicladas, para recuperar la mayor parte del plomo y utilizarlo para producir nuevas baterías. Hay aproximadamente unos 250 millones de baterías de plomo-ácido en los coches estadounidenses en la actualidad, que se convertirán en residuos representando un grave problema ambiental. “Si pudiéramos recuperar el plomo de las baterías y utilizarlo para fabricar células solares perovskita, sería una situación de ganar-ganar”, dice Belcher.

Según esta investigadora, recuperar el plomo de una batería de plomo-ácido en desuso y convertirlo en una célula solar de perovskita implica “un procedimiento muy, muy simple”; tan simple que ella y sus colegas publicaron un video de cómo hacerlo.

El proceso requiere tres pasos principales: la cosecha de material de los ánodos y cátodos de la batería del vehículo (que se muestra en rojo en el diagrama); síntesis de yoduro de plomo de los materiales recogidos (azul); y la formación de la película de perovskita (verde). Este simple proceso para recuperar y procesar el plomo y hacer una célula solar puede ser fácilmente escalado para su comercialización.

Pero para las investigadoras Belcher y Hammond, faltaba responder un importante interrogante; como es conocer cuál podría ser la pérdida de rendimiento por la utilización de materiales reciclados en lugar de yoduro de plomo de alta calidad.

Para responder a este interrogante, hicieron células solares utilizando ambos tipos de materiales, para luego comparar sus rendimientos. Los resultados obtenidos fueron totalmente comparables, reconociendo las investigadoras que no son expertos en hacer células solares de perovskita optimizadas para una máxima eficiencia. Pero si las células que hicieron con los dos materiales de partida se comportaron realmente bien, deducen que: “las personas expertas en afinar células solares para conseguir un 20% de eficiencia, serán capaces de usar nuestro material y obtener las mismas eficiencias”, señala Belcher.

En las pruebas realizadas, las películas muestran la misma estructura nanocristalina y una idéntica capacidad de absorción de la luz. De hecho, la capacidad de las películas para absorber la luz en diferentes longitudes de onda, era la misma.

También comprobaron que el rendimiento fotovoltaico fue similar. Una medida de interés es la eficiencia de conversión de potencia (PCE), que es la fracción de la energía solar entrante que sale como corriente eléctrica. En este caso el rendimiento de los dos tipos de células solares es casi idéntico. “Así que la calidad del dispositivo no sufre con la utilización de materiales recuperados de las baterías en desuso”, dice Belcher.

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En conjunto, los resultados fueron muy prometedores, pero reconociendo que se basaron en células solares hechas de material recuperado de una sola batería desechada; por lo que los resultados podrían variar utilizando piezas diferentes. Por ejemplo, en su muestra de ensayo fueron capaces de recuperar más de 95% del plomo utilizable; pero: ¿Podría ser esa fracción inferior en una batería mayor?; ¿podría ser la calidad o pureza del plomo recuperado diferente?

Para averiguarlo, los investigadores aplicaron su proceso a tres baterías más: una que había estado operando durante seis meses, la segunda durante dos años, y la tercera durante cuatro años. El resultado fue el mismo con una excepción: en las baterías de mayor edad, parte del plomo se produce en forma de sulfato de plomo, como un resultado de reacciones con el electrolito de ácido sulfúrico; pero confirmaron que sus procedimientos eran efectivos para la recuperación del sulfato de plomo, así como de otros compuestos.

En base a sus resultados, Belcher y Hammond concluyeron que plomo reciclado podría integrarse en cualquier tipo de proceso que los investigadores están utilizando para fabricar células solares a base de perovskita y de hecho para hacer otros tipos de células solares que contienen plomo, diodos emisores de luz, dispositivos piezoeléctricos, y más.

Un simple análisis económico muestra que el procedimiento propuesto podría tener un impacto sustancial. Suponiendo que la película delgada perovskita es sólo la mitad de un micrómetro de espesor, los investigadores calculan que una sola batería de automóvil de plomo-ácido, podría suministrar suficiente plomo para la fabricación de más de 700 metros cuadrados de células solares perovskita. Si las células alcanzan el 15% de eficiencia (un supuesto conservador de hoy), podrían proporcionar electricidad suficiente para abastecer a unos 14 hogares en Cambridge, Massachusetts, o alrededor de 30 hogares en la soleada Las Vegas, Nevada. La alimentación de todo Estados Unidos tomaría cerca de 12,2 millones de baterías de automóviles recicladas, 8.634 kilómetros cuadrados de paneles solares perovskita, operando en condiciones similares a las de Nevada.

En el largo plazo, por supuesto; el mejor enfoque sería encontrar un material sustituto no tóxico y eficaz para el plomo. En este sentido, Belcher y Hammond continúan en la búsqueda de ese sustituto adecuado, realizando estudios teóricos y experimentales. Ya han tenido resultados prometedores, logrando algunas “eficiencias bastante decentes”, dice Belcher. La combinación de sus dos enfoques: la utilización de plomo reciclado y la reducción de la cantidad requerida, podría aliviar las preocupaciones ambientales y sanitarias a corto plazo.

Fuente:

http://mitei.mit.edu/news/discarded-car-batteries

https://youtu.be/LP9HmTrUms0

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