Monolitos de carbono como electrodos de supercondensadores

• Autores: Alejandra García Gómez
• Directores de la Tesis: José María Rojo Martín (dir. tes.), Teresa Alvárez Centeno (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2013
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Vicente Fernández Herrero (presid.), Violeta Barranco Asensio (secret.), Pietro Staiti (voc.), Ángel Linares Solano (voc.), Marc Arlen Anderson (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Química física
      • Electroquímica
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • Los supercondensadores son dispositivos que sirven para almacenar energía eléctrica. Estos dispositivos pueden ayudar a gestionar correctamente la energía, posicionándose entre la producción y el consumo. Por ejemplo, en relación a una fuente de energía, como el sol o el viento, o en el coche híbrido, el exceso de energía producido puede ser almacenado en supercondensadores y después suministrado cuando el consumo lo demande. Comparando los supercondensadores con otros dispositivos que también sirven para almacenar energía eléctrica como son las baterías recargables de litio, los supercondensadores tienen algunas ventajas, mayor densidad de potencia (hasta 10 kW/kg), un tiempo de carga/descarga más corto (1-30 s), y una vida más larga en ciclaje (hasta 106 ciclos de carga/descarga). Sin embargo, también tienen algunas inconvenientes como la menor densidad de energía (5-10 Wh/kg). Por tanto, el reto actual de la investigación sobre supercondensadores está centrado en conseguir que estos dispositivos acumulen mayores densidades de energía. Esto se puede conseguir aumentando la capacidad, aumentando el voltaje o aumentando los dos parámetros.

    En este trabajo se ha estudiado supercondensadores que tienen materiales de carbono como electrodos, concretamente monolitos de carbono. Se ha encontrado que los monolitos de carbono tienen ventajas frente a los materiales de carbono pulverulentos, ventajas derivadas de la mayor conductividad eléctrica de los monolitos (6.5 S cm-1) frente a los otros electrodos (7x10-2 S cm-1). La resistencia de la celda que tiene monolitos es menor y también es menor su tiempo de respuesta. Esto hace que la carga y descarga de la celda con monolitos de carbono sea más rápida.

    También se ha estudiado como afecta el carácter tridimensional de los monolitos, es decir su altura, a la respuesta eléctrica como electrodos. Al aumentar la altura del monolito se aumenta la capacidad, pues aumenta la masa de carbono. Sin embargo, al aumentar la altura del monolito, se aumenta la resistencia de la celda, principalmente la debida al electrolito. Por tanto, al aumentar la altura del monolito se aumenta la constante de tiempo de la celda, y la carga/descarga se hace más lenta.

    Los monolitos de partida son carbones microporosos, con microporos de tamaño comprendido en el intervalo 0.33-1.5 nm y con una superficie específica de unos 1000 m2/g. Estos monolitos se han activado en corriente de CO2 para modificar la distribución de tamaños de los poros pero manteniendo constante la superficie específica.

    Se ha estudiado el tamaño de los iones del electrolito en relación al tamaño de los poros de los monolitos, y ambos parámetros se han discutido en base a la capacidad específica de los monolitos y al voltaje de trabajo del supercondensador. Como electrolito se ha elegido tres líquidos orgánicos con el mismo anión (BF4-) pero con diferentes cationes (Et4N+, Pr4N+ y Bu4N+). Se ha medido la capacidad del monolito en los tres electrolitos y esta capacidad se ha discutido en base a las áreas superficiales debidas a microporos con tamaños mayores que un detereminado valor. Estos resultados han permitido deducir el tamaño de los cationes que se electroadsorben formando la doble capa: 0.63 nm para Et4N+, 0.76 nm para Pr4N+, y 0.90 nm para Bu4N+. De acuerdo con estos tamaños, los cationes que forman la doble capa están desolvatados. El voltaje de trabajo aumenta a medida que el tamaño de los cationes disminuye. Por tanto, la capacidad y el voltaje, y en resumen la energía del dispositivo aumenta cuando el tamaño de los microporos son mayores que los tamaños de los iones.

    Otro electrolito que ha sido estudiado es una disolucion acuosa de KOH. En este electrolito, aparece una pseudocapacidad que hay que tener en cuanta a la hora de evaluar la capacidad de doble capa debida a los iones K+ y OH-. En este trabajo, se ha determinado por separado la capacidad de doble capa debida a esos dos iones. Del estudio comparado entre capacidad específica debida a los iones K+ y OH- y las áreas superficiales debidas a microporos con tamaños por encima de un determinado valor, se ha deducido un tamaño de 0.41 nm para el ión K+ y de 0.63 nm para el ión OH-. Estos tamaños indican que los dos tipos de iones están hidratados en la doble capa, es decir cuando se electroadsorben en la interfase electrolito/monolito.

    Tanto para los electrolitos orgánicos como para el electrolito acuoso, se ha evaluado la la capacidad normalizada por área superficial accesible a los iones. La permitividad eléctrica del electrolito se ha discutido en base a dos modelos, propagación de hilo eléctrico y sandwich. Se ha analizado cómo varía la permitividad eléctrica a medida que aumenta el tamaño del microporo en relación al tamaño del ión, es decir a medida que el ión está menos confinado en el poro.

    Por último, se ha estudiado la posible aplicación de los monolitos de carbono como electrodos negativos de supercondensadores asimétricos. Como electrodo positivo se ha estudiado un electrodo procesado a partir del óxido MnO2.xH2O. La celda asimétrica se ha montado utilizando un electrolito acuoso, Na2SO4. El mayor voltaje de la celda asimétrica, hasta 1.7V, ha permitido aumentar la energía en relación a las celdas simétricas carbón/carbón (1V) y óxido/óxido (0.8V).