Un equipo que trabaja con Roland Fischer, Profesor de Química Inorgánica y Metal-Orgánica de la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha desarrollado un supercondensador altamente eficiente. La base del dispositivo de almacenamiento de energía es un novedoso, potente y también sostenible material híbrido de grafeno que tiene datos de rendimiento comparables a los de las baterías utilizadas actualmente.

Por lo general, el almacenamiento de energía se asocia con baterías y acumuladores que proporcionan energía a los dispositivos electrónicos. Sin embargo, en los ordenadores portátiles, cámaras, teléfonos móviles o vehículos, los llamados supercondensadores se instalan cada vez más en estos días.

A diferencia de las baterías, estos pueden almacenar rápidamente grandes cantidades de energía y suministrarla con la misma rapidez. Si, por ejemplo, un tren frena al entrar en la estación, los supercondensadores almacenan la energía y la suministran de nuevo cuando el tren necesita mucha energía de inmediato al arrancar.

Sin embargo, un problema de los supercondensadores hasta la fecha era su falta de densidad de energía. Mientras que los acumuladores de litio alcanzan una densidad de energía de hasta 265 kilovatios hora (KW/h), los supercondensadores hasta ahora sólo han ofrecido una décima parte de la misma.

El material sostenible proporciona un alto rendimiento

El equipo que trabaja con el químico de la TUM, Roland Fischer, ha desarrollado ahora un novedoso, potente y sostenible material híbrido de grafeno para supercondensadores. Sirve como electrodo positivo en el dispositivo de almacenamiento de energía. Los investigadores lo están combinando con un electrodo negativo probado basado en titanio y carbono.

El nuevo dispositivo de almacenamiento de energía no sólo alcanza una densidad de energía de hasta 73 Wh/kg, que equivale aproximadamente a la densidad de energía de una batería de níquel e hidruro metálico, sino que también funciona mucho mejor que la mayoría de los demás supercondensadores con una densidad de energía de 16 kW/kg. El secreto del nuevo supercondensador es la combinación de diferentes materiales, por lo que los químicos se refieren al supercondensador como "asimétrico".

Materiales híbridos: La naturaleza es el modelo a seguir

Los investigadores apuestan por una nueva estrategia para superar los límites de rendimiento de los materiales estándar: utilizan materiales híbridos. "La naturaleza está llena de materiales híbridos altamente complejos y optimizados evolutivamente - los huesos y los dientes son ejemplos. Sus propiedades mecánicas, como la dureza y la elasticidad, se optimizaron mediante la combinación de varios materiales por la naturaleza", dice Roland Fischer.

La idea abstracta de combinar materiales básicos fue transferida a los supercondensadores por el equipo de investigación. Como base, utilizaron el novedoso electrodo positivo de la unidad de almacenamiento con grafeno modificado químicamente y lo combinaron con una estructura orgánica metálica nanoestructurada, un llamado MOF.

Potente y estable

Decisivo para el rendimiento de los híbridos de grafeno es por un lado una gran superficie específica y tamaños de poros controlables y por otro lado una alta conductividad eléctrica. "La capacidad de alto rendimiento del material se basa en la combinación de los MOF microporosos con el ácido de grafeno conductor", explica el primer autor Jayaramulu Kolleboyina, un antiguo científico invitado que trabaja con Roland Fischer.

Una gran superficie es importante para los buenos supercondensadores. Permite la recolección de un número respectivamente grande de portadores de carga dentro del material - este es el principio básico para el almacenamiento de la energía eléctrica.

A través de un hábil diseño del material, los investigadores lograron la hazaña de unir el ácido grafeno con los MOF. Los MOF híbridos resultantes tienen una superficie interior muy grande de hasta 900 metros cuadrados por gramo y son muy eficaces como electrodos positivos en un supercondensador.

Estabilidad a largo plazo

Sin embargo, esa no es la única ventaja del nuevo material. Para lograr un híbrido químicamente estable, se necesitan fuertes enlaces químicos entre los componentes. Los enlaces son aparentemente los mismos que los de los aminoácidos en las proteínas, según Fischer: "De hecho, hemos conectado el ácido grafeno con un MOF-aminoácido, lo que crea un tipo de enlace peptídico".

La conexión estable entre los componentes nanoestructurados tiene enormes ventajas en términos de estabilidad a largo plazo: Cuanto más estables son los enlaces, más ciclos de carga y descarga son posibles sin un deterioro significativo del rendimiento.

Para comparar: Un acumulador de litio clásico tiene una vida útil de unos 5.000 ciclos. La nueva célula desarrollada por los investigadores de la TUM conserva cerca del 90 por ciento de su capacidad incluso después de 10.000 ciclos.

Red internacional de expertos

Fischer subraya la importancia de la cooperación internacional sin restricciones que los investigadores controlaron por sí mismos cuando se trató de desarrollar el nuevo supercondensador. En consecuencia, Jayaramulu Kolleboyina construyó el equipo. Fue un científico invitado de la India por la Fundación Alexander von Humboldt y que ahora es el jefe del departamento de química del recién creado Instituto Indio de Tecnología en Jammu.

"Nuestro equipo también se relacionó con expertos en electroquímica e investigación de baterías en Barcelona, así como con expertos en derivados del grafeno de la República Checa", informa Fischer. "Además, hemos integrado socios de los EE.UU. y Australia. Esta maravillosa cooperación internacional promete mucho para el futuro."

Publicación:

Jayaramulu Kolleboyina, Michael Horn, Andreas Schneemann, Aristides Bakandritsos, Vaclav Ranc, Martin Petr, Vitalie Stavila, Chandrabhas Narayana, Błażej Scheibe, Štěpán Kment, Michal Otyepka, Nunzio Motta, Deepak Dubal, Radek Zboril y Roland A. Fischer
Híbridos Covalente Gráfico-MOF para Supercapacitores Asimétricos de Alto Rendimiento
Materiales Avanzados, 4.12.2020 - DOI: 10.1002/adma.202004560
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004560

Más información:

La investigación fue apoyada por la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) dentro del grupo de excelencia e-conversión, la Fundación Alexander von Humboldt, el Instituto Indio de Tecnología Jammu, la Universidad Tecnológica de Queensland y el Consejo Australiano de Investigación (ARC). Otros fondos procedían del Fondo Europeo de Desarrollo Regional, proporcionado por el Ministerio de Educación, Juventud y Deportes de la República Checa.