Supercondensadores híbridos asimétricos con especies redox inorgánicas

Abstract

Esta tesis doctoral aborda la mejora de la energía almacenada en supercondensadores basados en materiales de carbono (CBSCs). Para ello se desarrollaron configuraciones de celda asimétricas y se usaron especies electroactivas inorgánicas disueltas en electrolitos acuosos (electrolitos redox) o en forma de depósito sólido sobre los materiales de electrodo. Esto permitió actuar de forma simultánea sobre la capacidad de almacenamiento y el voltaje de operación del sistema, los dos parámetros que más influencia tienen sobre la energía almacenada por el mismo. Si bien el mecanismo de almacenamiento de energía de los SCs es puramente capacitivo, en estos sistemas existe también una contribución faradaica debida al desarrollo de las reacciones redox de las especies electroactivas. En consecuencia los dispositivos investigados presentan un mecanismo de almacenamiento híbrido: uno de los electrodos presenta un comportamiento típicamente capacitivo (tipo condensador), mientras que en el otro tienen lugar las reacciones de oxidación/reducción (tipo batería). En primer lugar, se estudió el uso de Ce2(SO4)3 como electrolito redox inorgánico en CBSCs asimétricos. El desarrollo de las reacciones redox asociadas al Ce+3/Ce+4, junto con la optimización de la configuración de los dispositivos (materiales activos, relación de masas de los electrodos, empleo de membranas de intercambio iónico) permitió incrementar el voltaje de operación hasta 1,9 V, lo que se tradujo en un notable aumento de la energía, alcanzándose valores comparables a los obtenidos en SCs asimétricos con electrolitos orgánicos (20 W h kg-1). Además, estos sistemas mostraron una excelente ciclabilidad, siendo necesarios más de 20.000 ciclos de carga/descarga para observar cambios significativos en su comportamiento electroquímico. Además, se evaluó el comportamiento de materiales de carbono modificados con Azul de Prusia como electrodos positivos en CBSCs asimétricos empleando un electrolito neutro (KCl). En este caso, el desarrollo de las reacciones redox del depósito de Azul de Prusia permitió alcanzar voltajes de operación de hasta 1,4 V. Como en el caso anterior, este aumento de voltaje, junto con la mejora en los valores de capacidad, supuso un incremento en los valores de energía del sistema de 1,5 a 8,0 W h kg-1.