Resumen de Enhancing electrochemical performances of supercapacitors
Los dispositivos de almacenamiento de energía electroquímicos, como los supercapacitores, se clasifican como dispositivos de alta potencia, ya que suministran energía en un corto intervalo de tiempo. Debido a esta propiedad, los supercapacitores se utilizan ampliamente para aplicaciones que requieren la entrega deun alto nivel de energía durante un corto intervalo temporal tal como sucede por ejemplo en g Grúas, carros, trenes, perforadoras o ascensores que son algunos de los ejemplos de estas aplicaciones. Sin embargo, las densidades de energía en los supercapacitores son casi una magnitud de orden inferior a las baterías. Esto limita el uso de supercapacitores en las aplicaciones donde son deseables tanto altas densidades de potencia como de energía que equivale a ser capaz de mantener la potencia facilitada durante más tiempo. En este contexto, el enfoque general de esta tesis es contribuir a resolver este problema contribuyendo con diversas propuestas y alternativas a la vez que se implementa un mejor conocimiento sobre los materiales y mecanismos envueltos en estos dispositivos electroquimicos.
Dado que la energía está correlacionada con la capacidad y el voltaje de un supercapacitador, el objetivo principal de esta tesis ha sido tanto incrementar la capacidad como aumentar el voltaje.
Asimismo hay que destacar que los supercapacitores producidos en base a la actual tecnología de de carbono sufren además de bajos valores de capacitancia en condiciones de carga rápida a causa de sus constantes de tiempo de respuesta. Para superar estas limitaciones, una se ha propuesta una alternativa, basada en la fabricación de nanofibras de carbono por electrospinning permitiendo esta técnica incorporar metales o sus óxidos obteniéndose con el proceso y metodología propuesta una arquitectura de electrodos 3-D que contribuye a reducir el valor de la resistencia del electrodo al mismo tiempo que ello permite incrementar la densidad de poros incrementando su distribución lo que implica un considerable aumento del valor de la capacidad. La investigación a través de varios materiales y técnicas de caracterización electroquímica indican un papel esencial en la concentración del precursor metálico hacia el comportamiento electroquímico de los electrodos. Esta correlación es útil para diseñar mejores electrodos para supercapacitadores, para obtener mejores capacidades de densidad de energía y potencia.
Para mejorar el rango de voltajes existentes en las supercapacidades que utilizan electrolitos de base acuosa se han utilizado dos estrategias para superar este problema: (i) Por una parte se ha explorado la mejora basada en mejorar las propiedades del material del electrodo en lugar de utilizar los materiales más estándar basados en carbono. Así, se han empleado nuevos materiales de la familia de MXenes, para lograr voltajes de celda más altos debido a sus propiedades electroquímicas., Así se ha propuesto un nuevo MXene 2-D basado en carburo de vanadio y molibdeno y se han investigado con detalle sus características electroquímicas. De acuerdo con sus características, su acoplamiento con carburo de titanio 2-D MXene nos ha permito obtener un voltaje más alto en una celda pseudocapacitiva con MXene en ambos electrodos. La investigación revela que el almacenamiento de carga en carburo de vanadio-vanadio 2-D MXene depende del tipo de cationes de electrólito. Para el caso en cuestión, los cationes monovalentes de tamaño pequeño, como los iones de litio y sodio, muestran un menor dificultad para el almacenamiento de carga, mientras que los iones de potasio monovalentes de tamaño grande y los iones de magnesio bivalentes tienenun mayor efecto de impedimento, lo que hace que tengan un almacenamiento de carga más bajo que el litio y los iones de sodio. Por lo tanto, la selección de los iones de electrólitos apropiados, especialmente en el caso de los materiales basados en MXene, parece ser importante. Además, el uso de estos electrolitos para combinar el carburo de vanadio y vanadio 2-D con otros MXenes, como el carburo de titanio, nos ha permitido habilitar un pseudocapacitador basado en MXenes completo de alta fiabilidad con altas capacidades volumétricas.
(ii) Por otro lado, el enfoque propuesto se ha basado en el uso de soluciones salinas superconcentradas que son prometedores electrolitos para contribuir a ampliar el voltaje celular de los pseudocapacitoresde base acuosa. Del mismo modo, además de esto, también se ha propuesto combinar el carburo de titanio 2-D MXene con las estructuras del túnel de óxido de manganeso usando comoelectrolito esta solución superconcentrada para obtener un dispositivo de almacenamiento de energía pseudocapacitivo de base acuosa con alto voltaje. La investigación nos ha permitido concluir que la concentración del electrolito salino desempeña un papel importante en los valores de almacenamiento de carga en carburos de titanio 2-D. Aunque una concentración extremadamente alta de estos electrolitos salinos ensancha la ventana potencial, los iones de electrólitos en tal concentración alta tienen dificultades para insertarse dentro de las capas 2D del carburo de titanio MXene. Por el contrario, el uso de soluciones de sal en baja concentración tampoco es recomendable, ya que proporcionan ventanas de potencial más pequeñas. En consecuencia, durante el ensamblaje de la celda utilizando electrolitos superconcentrados, se debe tener en cuenta una concentración moderada de electrolito salino. De esta manera, tanto la ventana de potencial más amplio como el almacenamiento de alta carga se pueden lograr con materiales pseudocapacitivos como los carburos de titanio 2-D MXenes. Por su parte, las características a escala manométrica del óxido de manganeso desempeña un papel vital en el almacenamiento de la carga. Estas estructuras, tanto más pequeñas como más grandes que el tamaño de los iones electrolíticos almacenan menos cargasdado que tienen dificultades para la inserción de los iones del electrolitos. Por tanto, se debe tener en cuenta en la síntesis del material sus características nanométricas para asegurar la adecuada inserción. Además, también es esencial considerar la conductividad electrónica de la fase de óxido de manganeso, ya que al tener una alta conductividad electrónica tendrá una más grande capacidad de almacenar más cargas durante la condición de carga rápida.
Finalmente, reseñar que los trabajos desarrollados han permitido implementar supercapacitors eléctricos de doble capa basado en carbono con respuestas más rápidas que los supercapacitores basados en carbono existentes. Asimismo los pseudocapacitores fabricados muestran altas capacitancias volumétricas (> 35 F cm-3) exhibiendo voltajes de células más altos que los pseudocapacitores existentes. Además, las células pseudocapacitoras desarrolladas tienen una alta estabilidad electroquímica (> 95%) durante miles de ciclos.
