Desarrollo de dispositivos para almacenamiento de energía, utilizando materiales a base de carbono, óxidos y polímeros

Abstract

"Los supercapacitores (SC) son dispositivos de almacenamiento de energía empleados en aplicaciones tales como vehículos eléctricos híbridos (HEV), teléfonos celulares, sistemas de cómputo, fuentes de energía de respaldo de emergencia [1], etc. En general, el mundo tecnológico que está a nuestro alrededor se soporta de una forma u otra sobre estos dispositivos. Las investigaciones en este campo apuntan al desarrollo de SCs versátiles, buscando además de mejorar sus propiedades eléctricas, incorporar características como flexibilidad, transparencia, reducción de sus dimensiones, así como el uso de materiales amigables con el medio ambiente. En relación a las baterías, los SCs se caracterizan por presentar mayor densidad de potencia (>103 W/kg) pero menor densidad de energía que estas (< 102 Wh/kg), por los que las investigaciones en este campo se enfocan en desarrollar supercapacitores que combinen alta densidad de potencia y energía, pesos ligeros, tiempos cortos de carga/descarga, alta ciclabilidad, flexibilidad mecánica, etc. Es decir, combinar las principales características de ambos grupos y añadir nuevas propiedades necesarias para las nuevas aplicaciones y dispositivos actuales. Los SCs pueden ser simétricos o asimétricos según los materiales con los que se fabrican los electrodos [2]. Los dos principales mecanismos de almacenamiento de carga son EDLC (Electrochemical double-layer capacitance, por sus siglas en ingles) y la pseudocapacitancia. Por lo general, los SC se basan en materiales de carbono como el carbón activado, los nanotubos de carbono y grafeno, ya que estos materiales presentan un área de superficie muy alta, conductividad eléctrica y estabilidad química [1]. Los electrodos fabricados con estos materiales, principalmente manifiestan el mecanismo EDLC. En otras configuraciones, los SC pueden utilizar óxidos de metales de transición como el óxido de rutenio (RuO2), óxido de manganeso (MnO2), óxido de níquel (NiO), óxido de cobalto (Co3O4) y el óxido de vanadio (V2O5), para producir las reacciones redox faradaicas en los electrodos [3], lo cual constituye la base del mecanismo de pseudocapacitancia. En este trabajo reportamos las fabricación y caracterización de tres sistemas de supercapacitores flexibles y eficientes basados en nanotubos de carbono (CNTs): CNT/AgNW/Ni(OH)2 // CNT, CNT/Ca2.9Nd0.1Co4O9+δ // CNT y CNT/BaFe12O19 // CNT; siendo este último un dispositivo biodegradable. Las caracterizaciones óptico-superficial mostraron la presencia de grupos funcionales y vacancias de oxígeno, así como especies de metales de transición, que constituyen centros redox para al almacenamiento de carga. Por otra parte, los estudios del desempeño electroquímico en estos tres sistemas de SCs, arrojaron valores de capacitancia específica y densidad de energía de (888.6 F/g y 177.3 Wh/kg), (620.4 F/g y 95 Wh/kg), (861.0 F/g y 172.3 Wh/kg), respectivamente. Además, las curvas de descarga para los tres casos, mostraron una caída exponencial típica de un capacitor, seguido de un comportamiento tipo batería con una estabilización del voltaje. Los valores obtenidos son competitivos y en sus casos específicos, mayores a los reportados en otros trabajos donde utilizan estos materiales. De aquí que estos supercapacitores mostraros ser una opción prometedora para su uso en dispositivos electrónicos portátiles."

"This work reports the fabrication and electrochemical properties of three flexible and efficient supercapacitor systems based on carbon nanotubes (CNTs): CNT/AgNW/Ni(OH)2 // CNT, CNT/ Ca2.9Nd0.1Co4O9+δ // CNT y CNT/BaFe12O19 // CNT; the latter being a 90% biodegradable device. The SEM analysis of the CNTs showed that they are oriented in a preferential direction, which favors the transport of charge carriers. The first system is a semitransparent SCs with an average transmittance of 46% in the visible region. Cyclic voltammetry curves in all devices showed the presence of redox peaks, suggesting that they store charge by redox reactions. In addition, the galvanostatic charge/discharge profiles of SCs demonstrate that they can release energy with a battery-type behavior. XPS, FTIR and absorbance curves confirmed the presence of oxygen vacancy defects, metal oxides and transition metal species. The presence of all these compounds act as redox centers that simultaneously contribute to charge storage. Studies of the electrochemical performance in these three SCs systems yielded specific capacitance and energy density values of (888.6 F/g and 177.3 Wh/kg), (620.4 F/g and 95 Wh/kg), (861.0 F/g and 172.3 Wh/kg), respectively. Hence, these supercapacitors show to be a promising option for use in portable electronic devices."