Materiales compuestos basados en carbono desordenado como electrodos en supercondensadores

Resumen

Los condensadores electroquímicos de doble capa (EDLC), comúnmente denominados supercondensadores, son dispositivos de almacenamiento electroquímico de energía capaces de proporcionar más energía que un condensador común y cargarse o descargarse más rápido que una batería. Hoy en día, este tipo de dispositivos ha atraído un gran interés debido a tener una excelente reversibilidad, una capacidad de ciclado prácticamente ilimitada (mayor a 1,000,000 ciclos) y un modo de operación sencillo, ofreciendo soluciones en aplicaciones donde se requiere un aporte instantáneo de energía. Los esfuerzos e investigaciones actuales tienen como objetivo aumentar su densidad de energía sin perder potencia, para obtener nuevos dispositivos que alcancen o incluso superen la densidad de energía de una batería manteniendo las ventajas propias de los supercondensadores. El principal mecanismo de almacenamiento de energía en estos dispositivos es la capacidad eléctrica o capacitancia, que se basa en la adsorción reversible de iones de electrolitos sobre la superficie de los electrodos formando una doble capa electroquímica. No ocurren reacciones faradaicas y la energía permanece almacenada en cargas agregadas en la superficie del material del electrodo. Por lo tanto, cuanto mayor sea el área superficial del electrodo, más energía se podría almacenar y es por eso por lo que el carbono desordenado microporoso es el material mas comúnmente utilizado como material de electrodo y el que se encuentra en los dispositivos comerciales. Por otro lado, los compuestos capaces de interactuar con el electrolito mediante reacciones redox faradaicas de manera rápida y reversible pueden presentar otro mecanismo similar a la capacitancia para almacenar energía, que por similitud se denomina mecanismo de pseudocapacitancia. En esta tesis, se han diseñado diferentes estrategias sintéticas con el fin de obtener materiales compuestos basados en carbono desordenado con propiedades electroquímicas mejoradas para su uso como electrodos en supercondensadores En primer lugar, la extracción selectiva con cloro gaseoso de los centros metálicos de compuestos organometálicos a temperaturas intermedias, seguida de la conversión hidrotermal de los intermedios de reacción constituidos por un material compuesto basado en una matriz de carbono desordenado con una dispersión homogénea de nanoparticulas de haluro metálico, ha demostrado ser una ruta sintética excelente y directa para la obtención de materiales compuestos basados en carbones nanoporosos con nanopartículas pseudocapacitivas de óxidos metálicos. Utilizando como precursores niqueloceno y acetilacetonato de manganeso (II) se han obtenido sendos materiales compuestos formados por una matriz porosa de carbón derivado de organometalico (ODC) con una dispersión homogénea de nanopartículas de óxido de níquel (II) y óxido de manganeso (II,III) (Hausmanita) respectivamente en su interior. Los estudios electroquímicos muestran que en estos materiales este mecanismo pseudocapacitivo parece funcionar en sinergia con el mecanismo puramente capacitivo, mejorando la capacidad de almacenamiento de energía total del material compuesto frente al respectivo material de carbón considerablemente. Adicionalmente, estas nanopartículas otorgan al compuesto una mayor densidad que el respectivo material de carbono, lo que resulta en una mejora de la capacidad volumétrica. Asimismo, la matriz de carbono proporciona estabilidad mecánica a las nanopartículas. En el último capítulo, se ha sintetizado un nuevo material compuesto denominado Carbon-Gold Nanograpes, formado por nanoesferas de carbón microporoso con un núcleo de varias nanopartículas de oro, combinando una alta densidad con una gran área superficial.