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TECNOLOGÍA. Los Supercondensadores hacen la competencia a las baterías eléctricas

 


Un equipo que trabaja con Roland Fischer, profesor de química inorgánica y metal-orgánica en la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha desarrollado un supercondensador de alta eficiencia. La base del dispositivo de almacenamiento de energía es un novedoso material híbrido de grafeno , potente y también sostenible que tiene datos de rendimiento comparables a los de las baterías utilizadas actualmente.

Por lo general, el almacenamiento de energía se asocia con baterías y acumuladores que proporcionan energía para dispositivos electrónicos. Sin embargo, en ordenadores portátiles, cámaras, teléfonos móviles o vehículos, los llamados supercondensadores se instalan cada vez más en estos días.

A diferencia de las baterías, pueden almacenar rápidamente grandes cantidades de energía y apagarla con la misma rapidezSi, por ejemplo, un tren frena al entrar en la estación, los supercondensadores almacenan la energía y la vuelven a proporcionar cuando el tren necesita mucha energía muy rápidamente durante el arranque.

Sin embargo, un problema con los supercondensadores hasta la fecha era su falta de densidad de energía. Mientras que los acumuladores de litio alcanzan una densidad de energía de hasta 265 kilovatios hora (KW / h), los supercondensadores hasta ahora solo han entregado una décima parte.

El material sostenible proporciona un alto rendimiento

El equipo que trabaja con el químico de TUM, Roland Fischer, ha desarrollado un material híbrido de grafeno novedoso, potente y sostenible para supercondensadores. Sirve como electrodo positivo en el dispositivo de almacenamiento de energía. Los investigadores lo están combinando con un electrodo negativo probado basado en titanio y carbono.

Los híbridos de grafeno hechos de estructuras orgánicas metálicas (MOF) y ácido grafénico constituyen un excelente electrodo positivo para supercondensadores, que logran así una densidad de energía similar a la de las baterías de níquel-hidruro metálico. El color negro indica una alta movilidad de electrones dentro del material. Fuente: Prof.Dr. J. Kolleboyina / IITJ

El nuevo dispositivo de almacenamiento de energía no solo alcanza una densidad de energía de hasta 73 Wh / kg, que es aproximadamente equivalente a la densidad de energía de una batería de hidruro metálico de níquel, sino que también funciona mucho mejor que la mayoría de los otros supercondensadores con una densidad de potencia de 16 kW / kg. El secreto del nuevo supercondensador es la combinación de diferentes materiales; por lo tanto, los químicos se refieren al supercondensador como "asimétrico".

Materiales híbridos: la naturaleza es el modelo a aplicar

Los investigadores están apostando por una nueva estrategia para superar los límites de rendimiento de los materiales estándar: utilizan materiales híbridos. La naturaleza está llena de materiales híbridos altamente complejos y evolutivamente optimizados; los huesos y los dientes son ejemplos. Sus propiedades mecánicas, como la dureza y la elasticidad, se optimizaron mediante la combinación de varios materiales por naturaleza.

La idea abstracta de combinar materiales básicos fue transferida a supercondensadores por el equipo de investigación. Como base, utilizaron el novedoso electrodo positivo de la unidad de almacenamiento con grafeno modificado químicamente y lo combinaron con un marco organometálico nanoestructurado, un llamado MOF.

El híbrido de grafeno elaborado a partir de estructuras organometálicas (MOF) y ácido grafenico constituyen un excelente electrodo positivo para supercondensadores, que consiguen así una densidad de energía similar a la de las baterías de hidruro metálico de níquel. Fuente: Prof.Dr. J. Kolleboyina / IITJ


Potente y estable

Para el rendimiento de los híbridos de grafeno son decisivos, por un lado, una gran superficie específica y tamaños de poro controlables y, por otro lado, una alta conductividad eléctrica. Las capacidades de alto rendimiento del material se basan en la combinación de los MOF microporosos con el ácido de grafeno conductor ”, afirman los investigadores.

Una superficie grande es importante para buenos supercondensadores. Permite la recolección de una gran cantidad de portadores de carga dentro del material, este es el principio básico para el almacenamiento de energía eléctrica.

A través de un hábil diseño de materiales, los investigadores lograron la hazaña de vincular el ácido de grafeno con los MOF. Los MOF híbridos resultantes tienen una superficie interna muy grande de hasta 900 metros cuadrados por gramo y tienen un alto rendimiento como electrodos positivos en un supercondensador.

Larga estabilidad

Sin embargo, esa no es la única ventaja del nuevo material. Para lograr un híbrido químicamente estable, se necesitan fuertes enlaces químicos entre los componentes. Los enlaces son aparentemente los mismos que los que existen entre los aminoácidos en las proteínas. De hecho, los científicos conectaron el ácido grafénico con un aminoácido MOF, que genera un tipo de enlace peptídico.

La conexión estable entre los componentes nanoestructurados tiene enormes ventajas en términos de estabilidad a largo plazo: cuanto más estables son los enlaces, más ciclos de carga y descarga son posibles sin un deterioro significativo del rendimiento.

A modo de comparación: un acumulador de litio clásico tiene una vida útil de alrededor de 5.000 ciclos. La nueva celda desarrollada por los investigadores conserva cerca del 90 por ciento de su capacidad incluso después de 10.000 ciclos.

Fuente: “Covalent Graphene‐MOF Hybrids for High‐Performance Asymmetric Supercapacitors” by Kolleboyina Jayaramulu, Michael Horn, Andreas Schneemann, Haneesh Saini, Aristides Bakandritsos, Vaclav Ranc, Martin Petr, Vitalie Stavila, Chandrabhas Narayana, Błażej Scheibe, Štěpán Kment, Michal Otyepka, Nunzio Motta, Deepak Dubal, Radek Zbořil and Roland A. Fischer, 4 December 2020, Advanced MaterialsDOI: 10.1002/adma.202004560

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