09.10.2020 - Technische Universität Graz

Los nuevos hallazgos abren el camino a los supercapacitores respetuosos con el medio ambiente

Sostenible, rentable, incombustible y fácil de reciclar

Al igual que las baterías, los supercapacitores son adecuados para el almacenamiento repetido de energía eléctrica. Los investigadores de la Universidad de Graz han presentado una variante particularmente segura y sostenible de tal supercapacitador en Nature Communications.

La seguridad, la sostenibilidad y la reciclabilidad limitadas son los principales inconvenientes de la tecnología actual de las baterías de iones de litio, junto con la disponibilidad restringida de los materiales de partida (por ejemplo, el cobalto). En la búsqueda de sistemas alternativos de almacenamiento de energía electroquímica para su utilización en la movilidad electrónica y para el almacenamiento de energía de fuentes renovables, una combinación de batería y condensador es muy prometedora: el "supercapacitor híbrido". Puede cargarse y descargarse tan rápidamente como un condensador y puede almacenar casi tanta energía como las baterías convencionales. En comparación con estas últimas, puede cargarse y descargarse mucho más rápido y con mucha más frecuencia: mientras que una batería de iones de litio alcanza una vida útil de unos pocos miles de ciclos, un supercapacitador gestiona alrededor de un millón de ciclos de carga.

Sistema de carbono y agua salada

Una variante particularmente sostenible, pero hasta ahora bastante inexplorada, de tal supercapacitador híbrido consiste en un electrolito de carbono y yoduro de sodio (NaI) acuoso, con un electrodo de batería positivo y un electrodo de supercapacitador negativo. Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz han investigado ahora con más detalle cómo funciona exactamente el almacenamiento de energía electroquímica en este supercapacitor y qué ocurre en los poros de tamaño nanométrico del electrodo de carbono, y recientemente han publicado sus prometedores resultados en la revista científica Nature Communications. "El sistema que estamos viendo en detalle consiste en electrodos de carbono nanoporosos y un electrolito acuoso de yoduro de sodio, en otras palabras, agua salada. Esto hace que este sistema sea particularmente ecológico, rentable, incombustible y fácil de reciclar", explica Christian Prehal. Es el primer autor del estudio y recientemente se ha trasladado del Instituto de Química y Tecnología de Materiales de la Universidad Técnica de Graz a la ETH de Zurich.

La inesperada mayor capacidad de almacenamiento de energía

Con la ayuda de la dispersión de rayos X de ángulo pequeño y la espectroscopia Raman, los investigadores pudieron demostrar por primera vez que las nanopartículas de yodo sólido se forman en los nanoporos de carbono del electrodo de la batería durante la carga, que se disuelven de nuevo durante la descarga. Esto corrige el mecanismo de reacción previamente sospechado y tiene consecuencias de gran alcance, como explica Christian Prehal: "El grado de llenado de los nanoporos con yodo sólido determina cuánta energía puede ser almacenada en el electrodo. Esto permite que la capacidad de almacenamiento de energía de los electrodos de carbono con yodo alcance valores inesperadamente altos al almacenar toda la energía química en las partículas de yodo sólido". Este nuevo conocimiento fundamental abre el camino a supercapacitores híbridos o electrodos de batería con una densidad de energía incomparablemente mayor y procesos de carga y descarga extremadamente rápidos. Tales condensadores híbridos han sido investigados con gran éxito y desarrollados durante varios años por Qamar Abbas, actualmente becario de la FWF Lise Meitner en el Instituto de Química y Tecnología de Materiales y otro autor principal del estudio.

Con mejoras específicas, los supercapacitores híbridos pueden ahora ponerse en uso como una alternativa segura, no inflamable, rentable y sostenible para el almacenamiento estacionario de energía eléctrica. Esta puede ser una opción atractiva especialmente para el almacenamiento de energía de las células fotovoltaicas en los hogares, por ejemplo.

Nuevo método de investigación para los sistemas de almacenamiento de energía electroquímica

Los investigadores lograron otro avance con respecto a los métodos de investigación utilizados. En la espectroscopia Raman, la interacción de la luz con la materia se utiliza para comprender la estructura o las propiedades de un material. La dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) hace visibles los cambios estructurales durante las reacciones electroquímicas. Ambos métodos tuvieron lugar en operando, es decir, en vivo durante la carga y descarga de una célula electroquímica especialmente desarrollada. "Tanto la espectroscopia Raman operando como la SAXS operando se realizaron por primera vez en un supercondensador híbrido con electrolito NaI acuoso en el Instituto de Microscopía Electrónica y Nanoanálisis (FELMI) y en el laboratorio de aplicación de materia blanda de la Universidad Tecnológica de Graz. Para la investigación del SAXS operando, hemos desarrollado una célula de medición especial para baterías y dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica", explica Prehal. Los resultados del trabajo muestran que operando SAXS es ideal para seguir los cambios estructurales en un supercapacitor o batería en la escala nanométrica y directamente "en vivo" durante la carga y descarga. Por lo tanto, este nuevo método de investigación podría utilizarse ampliamente en el futuro en el campo del almacenamiento de energía electroquímica.

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