08/04/2014 - Almacenamiento de energía. Desarrollado un método que mejora los supercondensadores

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Un trabajo publicado en la revista Carbon por investigadores de la UAM abona el camino hacia materiales carbonosos de densidades de energía potencialmente mucho más elevadas que las logradas hasta ahora, lo que puede permitir mejorar la penetración comercial de los supercondensadores.

Hoy en día hay un gran interés por desarrollar las fuentes renovables de energía de manera que vayan sustituyendo a los combustibles fósiles que se usan de una manera paulatina. Sin embargo, para que fuentes de energía renovables como la solar o la eólica se conviertan en mayoritarias se necesita compensar su intermitencia para que la demanda y la oferta se ajusten en todo momento, y para ello se requiere acoplar sistemas de almacenamiento de energía que en muchos casos aún no pueden alcanzar el rendimiento deseable de manera competitiva.

En particular, los dispositivos electroquímicos de almacenamiento de energía (baterías y supercondensadores) son los más adecuados para la mayoría de las necesidades. Estos son en muchos aspectos complementarios debido a sus diferentes mecanismos de acumulación de energía. Los supercondensadores tienen densidades de potencia muy altas y son por tanto capaces de proporcionar una gran cantidad de energía durante periodos cortos (segundos o minutos), pero necesitan mejorar sus densidades de energía (ser capaces de proporcionar energía durante más tiempo) para poder ser comercialmente competitivos.

Una de las estrategias más importantes que se está explorando para ello es la mejora de los materiales carbonosos que suelen formar los electrodos de estos dispositivos. Para mejorar sus densidades de energía, además de aumentar su área superficial (lo que aumenta la energía almacenada mediante fuerzas de atracción y repulsión eléctrica de cargas, que son las típicas de supercondensadores), se ha procurado que en su superficie estén presentes diferentes compuestos que aumentan la energía añadiendo sus reacciones de oxidación y reducción similares a las presentes en baterías, principalmente óxidos metálicos o compuestos quinónicos.

Sin embargo, y tras décadas de investigación, ninguna de estas estrategias ha sido suficiente para mejorar la penetración comercial de estos dispositivos.

Recientemente se descubrió que si el tamaño de poro del material carbonoso es pequeño (menor de 1 nanómetro) y coincide con el tamaño del ión del electrolito que se adsorbe en él al acumular energía, la energía acumulada electrostáticamente aumenta significativamente, lo que constituye una nueva vía para aumentar las densidades de energía de estos dispositivos y está siendo objeto de un gran interés en la investigación actual.

Como un paso más en esta dirección, investigadores del Departamento de Química Orgánica de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), liderados por las profesoras María del Carmen Carreño y María Ribagorda, han desarrollado (en colaboración con investigadores de la Unidad de Procesos Electroquímicos del Instituto IMDEA Energía, liderados por el Dr. Raúl Díaz) una metodología que permite combinar estos materiales carbonosos de tamaño de poro óptimo con la presencia en su superficie de compuestos que añaden reacciones redox, en este caso compuestos quinónicos.

Para ello los investigadores usaron reacciones tipo Friedel-Crafts para promover el enlace covalente entre los carbones y las quinonas (ver figura). El resultado son carbones con mayores densidades de energía, provenientes tanto de las reacciones redox de las quinonas añadidas como de la mayor cantidad de energía electrostática almacenada por la adecuación del tamaño de los poros de los carbones al tamaño de los iones del electrolito que se adsorben en él.

Este trabajo, publicado en la revista Carbon, es el primer paso hacia materiales carbonosos de densidades de energía potencialmente mucho más elevadas que las logradas hasta la fecha que pueden permitir mejorar la penetración comercial de los supercondensadores.

Referencia:
 

Isikli, S.; Lecea, M.; Ribagorda, M.; Carmen Carreño, M.; Díaz, R., Influence of quinone grafting via Friedel-Crafts reaction on carbon porous structure and supercapacitor performance, Carbon (2014), 66, 654-661.

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