Materiales porosos de carbono en supercondensadores

Abstract

La demanda de nuevos sistemas de almacenamiento de energía eléctrica más eficientes y menos contaminantes ha generado, en los últimos años, un creciente interés por el desarrollo de los condensadores electroquímicos, también llamados supercondensadores. Estos sistemas, permiten almacenar elevadas densidades de energía a la vez que proporcionan altas densidades de potencia. Con estas características se cubre el vacío de prestaciones existentes entre los condensadores dieléctricos y las baterías y pilas de combustible. En la actualidad, el principal objetivo en la investigación en el campo de los supercondensadores se centra en superar las prestaciones alcanzadas por los dispositivos disponibles en el mercado, aumentando, paralelamente, su competitividad desde el punto de vista económico. En este contexto, resulta fundamental el desarrollo de materiales de carbono con propiedades óptimas para su aplicación como electrodos de supercondensadores. Desafortunadamente, los numerosos estudios desarrollados para determinar la influencia de las características texturales y químicas de los materiales de carbono sobre su comportamiento en supercondensadores muestran una gran dispersión de resultados que no permite obtener conclusiones relevantes. El presente trabajo se ha centrado en el estudio sistemático de las características texturales, químicas y electroquímicas de una gran variedad de materiales porosos de carbono con el objetivo principal de obtener un conocimiento detallado de la influencia de las mismas sobre el funcionamiento del supercondensador. Los resultados obtenidos muestran que la capacidad eléctrica de los materiales de carbono depende, básicamente, de la superficie específica accesible a los iones de los iones del electrolito y de la naturaleza química de la superficie carbonosa. La contribución de los grupos oxigenados superficiales es muy significativa en el caso de utilizar como electrolito una disolución acuosa de ácido sulfúrico mientras que en un medio aprótico de tetrafluoroborato de tetraetilamonio disuelto en acetonitrilo la influencia de la química superficial es menos relevante. El comportamiento como electrodos de supercondensadores de ciertos materiales de carbono avanzados como los carbonos mesoporosos y los carbonos microporosos derivados de carburos metálicos se ajusta a las tendencias generales observadas para los carbones activados, por lo que éstos últimos parecen ser todavía los materiales más competitivos para dichos dispositivos. Los carbones activados derivados de residuos lignocelulósicos, tales como la pulpa de manzana y huesos de cereza, presentan unas propiedades similares a las de los carbones activados estandar y, en ocasiones, compiten favorablemente con carbonos comercializados específicamente para supercondensadores. Esta aplicación resulta muy prometedora para reducir tanto el coste de los electrodos de dichos sistemas como el impacto medioambiental asociado a la eliminación de unos residuos generados en actividades industriales. Finalmente, se ha desarrollado un método basado en la calorimetría de inmersión que permite estimar, de forma rápida y fiable, la capacidad de los materiales de carbono a baja densidad de corriente, tanto en el electrolito acuoso (H2SO4 2M) como en el medio orgánico (tetrafluoroborato de tetraetilamina en acetonitrilo).