Supercondenzadores a partír de materiales carbonosos para almacenamiento de energía

Abstract

En esta tesis se prepararon y caracterizaron diferentes materiales de carbono para ser usados como electrodos de supercondensadores. Los supercondensadores son un tipo de condensador eléctrico con una capacidad eléctrica muy superior a cualquier otro tipo de condensador. En su constitución básica, están formados por dos electrodos (separados por un aislante eléctrico) y un electrolito iónico. Los desafíos actuales en el desarrollo de supercondensadores se focalizan en aumentar la densidad de energía del dispositivo. Por el lado de los materiales de electrodo, esto se puede lograr con el desarrollo de materiales que tengan una elevada capacidad eléctrica específica. El trabajo experimental de esta tesis se focalizó en la preparación y caracterización de carbones en polvo activados, y monolitos de carbón obtenidos a partir de diferentes cortes (longitudinal al eje de crecimiento del tronco del árbol y transversal al eje del tronco) de madera Eucaliptus Grandis. Los materiales fueron preparados mediantes diferentes métodos y condiciones de activación (generación de porosidad) y fueron caracterizados mediante análisis textural, análisis elemental, Desorción Térmica Programada (TPD), difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido (SEM), medidas de conductividad eléctrica y electroquímicas. Las caracterizaciones electroquímicas (curvas galvanostáticas de carga y descarga, voltametría cíclica e impedancia electroquímica) se llevaron a cabo utilizando una celda de laboratorio simétrica tipo Swagelok usando dos tipos de electrolitos: (i) solución acuosa H2SO4 2M (electrolito ácido) y (ii) Et4NBF4 disuelto en acetonitrilo 1M (electrolito orgánico). IV Los resultados obtenidos para los carbones en polvo indican que estos tienen áreas superficiales que varían en un amplio rango dependiendo del método y condiciones de preparación. De acuerdo con los resultados del TPD, el contenido de grupos funcionales oxigenados superficiales de los carbones varía también según el método y condiciones de preparación. La conductividad eléctrica de los materiales depende marcadamente de la temperatura máxima de preparación siendo prácticamente independiente del método o agente activante utilizado. Se determinó la existencia de una correlación directa de la capacidad eléctrica específica de los materiales con el área superficial y el contenido de grupos funcionales oxigenados superficiales determinados mediante TPD. Los mejores resultados en cuanto a capacidad eléctrica específica en electrolito ácido se determinó para el carbón activado con ZnCl2 a 900 C seguido de una posterior oxidación con ácido nítrico. Se comprobó que la energía acumulada para un mismo carbón es mayor en el electrolito orgánico que en el electrolito ácido. El análisis de los monolitos demuestra que existe una incidencia directa de la anisotropía de la madera en las propiedades texturales, eléctricas y electroquímicas de los monolitos de carbón obtenidos. Los monolitos obtenidos a partir del corte transversal presentaron una estructura más abierta con mayor desarrollo de porosidad (la más alta obtenida para los activados con CO2), mayor capacidad eléctrica específica gravimétrica, mayor energía gravimétrica y mayor conductividad eléctrica. Sin embargo no se encontraron diferencias sustanciales en la capacidad y energía volumétrica para los dos tipos de monolitos estudiados. Los mejores resultados de capacidad eléctrica y energía acumulada obtenidos para los materiales de carbón preparados en esta tesis fueron mejores a los obtenidos para un carbón comercial de referencia y otros materiales similares reportados en la bibliografía.