Los científicos descubren la sorprendente eficiencia de los supercondensadores “desordenados”

Investigadores de la Universidad de Cambridge descubrieron que aumentar el desorden en los electrodos de carbono de los supercondensadores mejora significativamente su capacidad de almacenamiento de energía. Este avance podría elevar el papel de los supercondensadores en los sectores de transición energética y transporte público. Crédito: SciTechDaily.com

La densidad de energía de los supercondensadores, dispositivos similares a las baterías que pueden recargarse rápidamente en sólo segundos o minutos, se puede mejorar aumentando el “desorden” de su estructura interna.

Investigadores dirigidos por la Universidad de Cambridge utilizaron técnicas experimentales y de modelado por ordenador para estudiar los electrodos de carbono porosos utilizados en los supercondensadores. Descubrieron que los electrodos con una estructura química más desordenada almacenaban mucha más energía que los electrodos con una estructura muy ordenada.

Los supercondensadores son una tecnología clave para la transición energética y podrían ser útiles para determinadas formas de transporte público, así como para gestionar la generación intermitente de energía solar y eólica, pero su adopción se ha visto limitada por la escasa densidad energética.

Los investigadores dicen que sus resultados, publicados en la revista Cienciarepresentan un gran avance en el campo y podrían revitalizar el desarrollo de esta importante tecnología neta cero.

Comparación de supercondensadores y baterías

Al igual que las baterías, los supercondensadores almacenan energía, pero pueden cargarse en segundos o unos minutos, mientras que las baterías tardan mucho más. Los supercondensadores son mucho más duraderos que las baterías y pueden durar millones de ciclos de carga. Sin embargo, la baja densidad de energía de los supercondensadores los hace inadecuados para proporcionar almacenamiento de energía a largo plazo o energía continua.

“Los supercondensadores son una tecnología complementaria a las baterías, más que un reemplazo”, dijo el Dr. Alex Forse del Departamento de Química Yusuf Hamied de Cambridge, quien dirigió la investigación. “Su durabilidad y capacidades de carga extremadamente rápida los hacen útiles para una amplia gama de aplicaciones”.

De izquierda a derecha: Profesora Dame Clare Grey, Xinyu Liu, Dr. Alex Forse. Crédito: Nathan Pitt

Un autobús, tren o metro impulsado por supercondensadores, por ejemplo, podría cargarse completamente en el tiempo que lleva dejar subir y bajar a los pasajeros, proporcionándole energía suficiente para llegar a la siguiente parada. Esto eliminaría la necesidad de instalar cualquier infraestructura de carga a lo largo de la línea. Sin embargo, antes de que se generalice el uso de los supercondensadores, es necesario mejorar su capacidad de almacenamiento de energía.

Mientras que una batería utiliza reacciones químicas para almacenar y liberar carga, un supercondensador depende del movimiento de moléculas cargadas entre electrodos de carbono porosos, que tienen una estructura muy desordenada. “Piense en una lámina de grafeno, que tiene una estructura química muy ordenada”, dijo Forse. “Si arrugas esa lámina de grafeno hasta formar una bola, obtienes un desorden, que es algo así como el electrodo de un supercondensador”.

Avance en la comprensión de la estructura de los electrodos

Debido al desorden inherente de los electrodos, ha sido difícil para los científicos estudiarlos y determinar qué parámetros son los más importantes al intentar mejorar el rendimiento. Esta falta de consenso claro ha llevado a que el campo se estanque un poco.

Muchos científicos han pensado que el tamaño de los pequeños agujeros, o nanoporos, en los electrodos de carbono era la clave para mejorar la capacidad energética. Sin embargo, el equipo de Cambridge analizó una serie de electrodos de carbono nanoporosos disponibles comercialmente y descubrió que no había relación entre el tamaño de los poros y la capacidad de almacenamiento.

Xinyu Liu con un modelo de grafeno (izquierda) y un electrodo de carbono desordenado (derecha). Crédito: Nathan Pitt

Forse y sus colegas adoptaron un nuevo enfoque y utilizaron espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) (una especie de “IRM” para baterías) para estudiar los materiales de los electrodos. Descubrieron que el desorden de los materiales (que durante mucho tiempo se pensó que era un obstáculo) era, de hecho, la clave de su éxito.

“Utilizando la espectroscopía de RMN, descubrimos que la capacidad de almacenamiento de energía se correlaciona con el grado de desorden de los materiales: cuanto más desordenados están los materiales, más energía pueden almacenar”, dijo el primer autor Xinyu Liu, candidato a doctorado co-supervisado por Forse y la profesora Dame Clare Gray. . “El desorden es algo difícil de medir; sólo es posible gracias a las nuevas técnicas de simulación y RMN, por lo que el desorden es una característica que se ha pasado por alto en este campo”.

Al analizar los materiales de los electrodos con espectroscopía de RMN, se produce un espectro con diferentes picos y valles. La posición del pico indica qué tan ordenado o desordenado está el carbono. “No era nuestro plan buscar esto, fue una gran sorpresa”, dijo Forse. “Cuando trazamos la posición del pico frente a la capacidad energética, surgió una correlación sorprendente: los materiales más desordenados tenían una capacidad de casi el doble que los materiales más ordenados”.

Entonces, ¿por qué es bueno el desorden? Forse dice que eso es lo próximo en lo que estará trabajando el equipo. Los carbonos más desordenados almacenan iones de manera más eficiente en sus nanoporos, y el equipo espera utilizar estos resultados para diseñar mejores supercondensadores. El desorden de los materiales se determina en el momento en que se sintetizan.

“Queremos buscar nuevas formas de fabricar estos materiales, para ver hasta dónde puede llevar el desorden en términos de mejorar el almacenamiento de energía”, dijo Forse. “Podría ser un punto de inflexión para un campo que ha estado estancado por un tiempo. Clare y yo comenzamos a trabajar en este tema hace más de una década y es emocionante ver que gran parte de nuestro trabajo fundamental anterior ahora tiene una aplicación clara”.

Referencia: “El desorden estructural determina la capacitancia en carbonos nanoporosos” por Xinyu Liu, Dongxun Lyu, Céline Merlet, Matthew JA Leesmith, Xiao Hua, Zhen Xu, Clare P. Gray y Alexander C. Forse, 18 de abril de 2024, Science.
DOI: 10.1126/ciencia.adn6242

La investigación fue apoyada en parte por Cambridge Trusts, el Consejo Europeo de Investigación y UK Research and Innovation (UKRI).

2024-04-27 05:40:50
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