Superconductores basados en electrolitos redox activos

Abstract

El mayor desafío existente en la tecnología de los condensadores electroquímicos es la consecución de niveles de energía más elevados que permitan el empleo de estos dispositivos en un número creciente de aplicaciones. Las rutas desarrolladas para el incremento energético de estos sistemas están basadas en el aumento de la capacidad, la ampliación del voltaje o la mejora simultánea de ambos parámetros. Las más destacables han surgido del empleo de materiales pseudocapacitivos, electrolitos estables a altos voltajes y configuraciones asimétricas, las cuales han estado generalmente asociadas a limitaciones en su aplicación práctica al no satisfacer el requerimiento de alta energía y/o bajo coste y, en muchos casos, poseer un elevado poder contaminante. Asimismo, la necesidad del aumento de la densidad energética de los supercondensadores ha motivado la investigación sobre nuevos materiales de carbono capaces de promover paralelamente una alta capacidad y potencia. En esta Tesis Doctoral se ha desarrollado una nueva estrategia para el incremento de la densidad de energía de los condensadores electroquímicos construidos con materiales de carbono basada en el aprovechamiento de las reacciones faradaicas de moléculas orgánicas electroquímicamente activas incorporadas en un electrolito acuoso. Este trabajo ofrece una ruta alternativa para la mejora de la densidad de energía de los supercondensadores a través del aumento de su capacidad, modificando simplemente la composición del electrolito. Se estudió el efecto de la incorporación de diversas especies redox (índigo carmín, hidroquinona y azul de metileno) en el electrolito de condensadores electroquímicos simétricos construidos con diferentes materiales de carbono (nanotubos de carbono de pared múltiple, un aerogel de carbono, y dos carbones activados). El efecto positivo de la adición de una molécula redox se demostró inicialmente añadiendo índigo carmín a un sistema de doble capa ideal constituido por electrodos de nanotubos de carbono en medio sulfúrico. El aumento de capacidad alcanzado con este sistema se optimizó mediante la utilización de hidroquinona, la cual condujo a incrementos significativos de capacidad con todos los materiales de carbono citados. En el caso del empleo de un carbón activado de alta área superficial obtenido en este trabajo, la presencia de hidroquinona permitió triplicar la capacidad original del condensador de partida alcanzando un valor de densidad energética de 30 Wh/Kg, el cual constituye el objetivo marcado para la nueva generación de supercondensadores. El estudio de los mecanismos de almacenamiento de energía implicados reveló que el origen del aumento de capacidad y, por tanto, de energía, se encuentra en el comportamiento faradaico (tipo batería) del electrodo en el que evoluciona el proceso del aditivo redox. Asimismo, se demostró la relevancia de la capacidad de compensación de carga del electrodo de tipo condensador en el proceso de aumento de energía mediante el empleo de aditivos redox. Los dispositivos modificados con electrolitos redox mostraron un gran incremento de la capacidad del sistema de partida y, por tanto, de la densidad de energía almacenada, sin detrimento de la densidad de potencia debido a que la resistencia del conjunto no se altera significativamente. Por el contrario, estos sistemas mostraron una respuesta en condiciones de ciclado prolongado peor que los supercondensadores no modificados, aunque claramente mejor que cualquier batería conocida.