Síntesis de xerogeles de carbono inducida por microondas para su uso como electrodos en supercondensadores

Abstract

Los supercondensadores son sistemas de almacenamiento de energía muy prometedores debido a la elevada capacidad de almacenamiento de energía que ofrecen y a su excelente ciclabilidad. No obstante, hoy en día los valores de densidad de energía suministrada aún distan de los ofrecidos por las baterías y/o pilas de combustible, motivo por el cuál es necesario avanzar en esta temática. Las investigaciones sobre los supercondensadores se centran, fundamentalmente, en la búsqueda de nuevos materiales de electrodo y utilización de diferentes electrolitos y diversas configuraciones, que permitan incrementar la tensión de trabajo del dispositivo electroquímico y mejorar, por tanto, su energía específica. Tanto la búsqueda de nuevos materiales de electrodo como el uso de diferentes tipos de electrolitos han sido ampliamente tratados en esta tesis doctoral. La memoria se ha dividido en dos partes bien diferenciadas: la primera de ellas enfocada hacia la síntesis y caracterización de unos materiales carbonosos denominados xerogeles de carbono, mientras que en la segunda se ha evaluado la capacidad de almacenamiento de energía de los xerogeles de carbono sintetizados en el laboratorio, utilizados como material de electrodo en supercondensadores de diversa tipología. Con respecto a la preparación de los xerogeles de carbono, en este trabajo se ha desarrollado un método basado en la tecnología microondas que permite obtener dichos materiales de manera más rápida y sencilla que los métodos tradicionales habitualmente utilizados. La síntesis inducida por microondas no sólo ha permitido obtener xerogeles de carbono en un próximo 5 horas sino que, además, ha sido posible controlar su porosidad mediante ligeras modificaciones de las condiciones de operación (pH de la mezcla precursora, por ejemplo), lo que hace que sean materiales con un alto valor añadido. Debido a los excelentes resultados obtenidos con la radiación microondas, dicha tecnología ha sido implantada también durante los procesos de activación. El objetivo fundamental de la activación consiste en aumentar la microporosidad de los materiales. En el caso de la aplicación estudiada en esta tesis doctoral, el requisito más importante que debe cumplir un buen material de electrodo es poseer un elevado volumen de microporos, motivo por el cuál los xerogeles fueron sometidos a procesos de activación. Debido a la rapidez de la radiación microondas, se han obtenido xerogeles de carbono con una textura porosa muy desarrolla (áreas superficiales superiores a 2000 m2 g-1 y cierta contribución de mesoporosidad) utilizando tiempos de operación muy cortos (el xerogel de carbono con las propiedades porosas más adecuadas para el almacenamiento de energía en supercondensadores se obtuvo tras un periodo de activación de tan sólo 6 minutos). En la segunda parte de la memoria se han incluido diversos trabajos correspondientes a la evaluación de la capacidad de almacenamiento de energía de supercondensadores basados en xerogeles de carbono porosos. Esta parte del trabajo se ha dividido en dos secciones, una relacionada con los materiales de electrodo, en la que el objetivo principal consistió en identificar el xerogel de carbono con las propiedades más idóneas para garantizar un elevado almacenamiento de energía, y la segunda asociada con los electrolitos (disoluciones acuosas de diferente pH frente a líquidos iónicos próticos). Varias han sido las estrategias desarrolladas en ambos apartados como: empleo de electrodos basados en xerogeles de carbono de diferente porosidad, adición de nanotubos de carbono para incrementar la conductividad de los electrodos, construcción de supercondensadores híbridos, uso de líquidos iónicos constituidos por diferentes aniones/cationes, entre otras. Algunas de estas estrategias han resultado verdaderamente interesantes. Por ejemplo, el uso de supercondensadores híbridos (electrodo negativo basado en un xerogel de carbono activado y electrodo positivo constituido por MnO2) o supercondensadores basados en líquidos iónicos han permitido utilizar voltajes de trabajo en torno a 1.6 V, en el primer caso, y superiores a 2.0 V, en el segundo caso, tensiones superiores a las conseguidas con supercondensadores simétricos basados en electrolitos acuosos, que llevan asociadas valores de energía específica superiores. Además del mayor voltaje de trabajo conseguido, los xerogeles de carbono dan lugar a valores de capacidad específica en torno a 200 F g-1, capacidad superior a la ofrecida por algunos carbones activos comerciales utilizados para almacenar energía. Este mejor comportamiento de los xerogeles de carbono se ha justificado por su contenido en mesoporos, ya que hace que la superficie del material que participa activamente en la formación de la doble capa eléctrica se vea aumentada, incrementando con ello la capacidad de almacenamiento del material. Además, los mesoporos favorecen el transporte de iones de electrolito hacia los microporos, motivo por el cuál es preferible un supercondensador basado en un xerogel de carbono micro-mesoporoso frente a carbones activos fundamentalmente microporosos.