Por Endika Vásquez

18 de enero de 2021

Industria

Grafeno híbrido para supercapitadores eficientes.

Un equipo en colaboración con Roland Fischer, profesor de Química Inorgánica y Metal-Orgánica en la Universidad Técnica de Múnich(TUM) ha desarrollado un capacitador de alta eficiencia. La base del dispositivo de almacenamiento de energía es un novedoso, poderoso y a su vez sostenible material híbrido de grafeno que consta de datos de rendimiento comparables a las baterías de uso actual.

Generalmente, la acumulación de energía eléctrica es asociada con baterías y acumuladores destinados a dispositivos electrónicos. No obstante, el uso de los llamados supercapacitadores se encuentra en alza en portátiles, cámaras, dispositivos móviles y vehículos.

A diferencia de las baterías, los capacitadores son capaces de cargarse con gran rapidez, y de descargarse al mismo ritmo. Por ejemplo, si un tren frena para aproximarse a una estación, la energía generada por el frenado es almacenada por el supercapacitador, para ser rápidamente utilizada cuando el tren vuelva a desplazarse.

Sin embargo, un problema asolaba a los capacitadores, y era su falta de densidad energética. Los acumuladores de litio son capaces de alcanzar una densidad energética de hasta 265kWh, mientras que los supercapacitadores hasta la fecha solo han podido alcanzar una décima parte de esa densidad.

El equipo trabajando con Fischer ha perfeccionado un novedoso y sostenible material, que servirá de cátodo en el dispositivo de almacenamiento de energía. El adelanto se combinará con un ánodo basado en titanio y carbón.

El nuevo capacitador, aparte de sostener una densidad de hasta 73Wh/kg, aproximadamente igual que una batería de metal de hidruro, es capaz de rendir mucho mejor que sus equivalentes a una densidad de 16kW/kg. El "secreto" del nuevo supercapacitador reside en la combinación de distintos materiales, de ahí que los químicos lo denominen como "asimétrico"

Materiales híbridos: La naturaleza es el modelo a seguir

Los investigadores apuestan por una estrategia para superar los límites de los materiales estándares, mediante el uso de materiales híbridos. "La naturaleza está llena de complejos y evolutivamente optimizados materiales híbridos, como lo son los huesos y dientes. Sus propiedades mecánicas, como la dureza y elasticidad fueron optimizadas por la naturaleza con la combinación de varios materiales." explica Roland Fischer.

Poderosos y estables

Hay dos factores decisivos en el rendimiento de los híbridos de grafeno: una gran superficie con tamaños por poro controlables, y una gran conductividad eléctrica. "La gran capacidad del material está basada en la combinación de las estructuras metal-orgánicas microporosas con el ácido de grafeno conductivo", expone Jayaramulu Kolleboyina, un científico invitado trabajando con Fischer.

Una gran superficie es importante para tener capacitadores eficaces. Permite la recolección de un número de portadores de carga relativamente grande en el material, principio básico del almacenamiento de energía eléctrica.

Mediante habilidoso diseño de material, los científicos han logrado el hito de enlazar el ácido de grafeno con las estructuras metal-orgánicas. El resultado tiene una superficie de hasta 900 m2 por gramo, y son altamente eficaces como cátodos para el supercapacitador.

Sin embargo, esa no es la única ventaja del novedoso material. Para alcanzar un híbrido químicamente estable, se requieren enlaces fuertes entre los componentes químicos. Aparentemente, los enlaces son los mismos que los aminoácidos presentes en las proteínas, otorgando también una ventaja en la estabilidad a largo plazo del material: cuanta mayor estabilidad tengan los enlaces, más ciclos de carga y descarga serán capaces de soportar sin un gran impacto en el rendimiento.

Para contrastar, un acumulador de litio tiene una vida útil de aproximadamente 5000 ciclos. La nueva célula desarrollada por el TUM retiene cerca del 90 por ciento de capacidad incluso después de 10000 ciclos.


Fuentes: Phys.org, Universidad Técnica de Munich