Los supercondensadores prometen recargar teléfonos y otros dispositivos en segundos y minutos, en lugar de horas para las baterías. Pero las tecnologías actuales no suelen ser flexibles, tienen capacidades insuficientes, y para muchos, su rendimiento se degrada rápidamente con los ciclos de carga.

Investigadores de la Universidad Queen Mary de Londres (QMUL) y la Universidad de Cambridge han encontrado una manera de mejorar los tres problemas de un solo golpe.

Su electrodo de polímero prototipo, que se asemeja a un bastón de caramelo que normalmente se cuelga de un árbol de Navidad, logra un almacenamiento de energía cercano al límite teórico, pero también demuestra flexibilidad y resistencia al ciclo de carga / descarga.

La técnica podría aplicarse a muchos tipos de materiales para supercondensadores y permitir la carga rápida de teléfonos móviles. ropa inteligente y dispositivos implantables.

La investigación fue publicada en Letras de energía ACS .

La solución

La pseudocapacitancia es una propiedad de los supercondensadores de polímeros y compuestos que permite que los iones entren dentro del material y, por lo tanto, acumulen mucha más carga que los de carbono, que almacenan principalmente la carga como iones concentrados (en la llamada doble capa) cerca de la superficie.

El problema de los supercondensadores de polímeros, sin embargo, es que los iones necesarios para estas reacciones químicas solo pueden acceder a los primeros nanómetros por debajo de la superficie del material, dejando el resto del electrodo como peso muerto. Cultivar polímeros como nanoestructuras es una forma de aumentar la cantidad de material accesible cerca de la superficie, pero esto puede resultar caro, difícil de escalar, ya menudo da como resultado una mala estabilidad mecánica.

Los investigadores, sin embargo, han desarrollado una forma de entrelazar nanoestructuras dentro de un material a granel, logrando así los beneficios de la nanoestructuración convencional sin utilizar métodos de síntesis complejos ni sacrificar la tenacidad del material.

Líder del proyecto, Stoyan Smoukov, explicó:"Nuestros supercondensadores pueden almacenar una gran cantidad de carga muy rápidamente, porque el material activo delgado (el polímero conductor) siempre está en contacto con un segundo polímero que contiene iones, al igual que las delgadas regiones rojas de un bastón de caramelo están siempre muy cerca de las partes blancas. Pero esto es a una escala mucho menor.

"Esta estructura interpenetrante permite que el material se doble más fácilmente, así como hincharse y encogerse sin agrietarse, conduciendo a una mayor longevidad. Este método es como matar no solo a dos, pero tres pájaros de un tiro ".

Los resultados

El grupo Smoukov había sido pionero en una ruta combinatoria hacia la multifuncionalidad utilizando redes de polímeros interpenetrantes (IPN) en la que cada componente tendría su propia función, en lugar de utilizar la química de prueba y error para ajustar todas las funciones en una molécula.

Esta vez aplicaron el método al almacenamiento de energía, específicamente supercondensadores, debido al conocido problema de la mala utilización del material en las profundidades de la superficie del electrodo.

Esta técnica de interpenetración aumenta drásticamente la superficie del material, o más exactamente el área interfacial entre los diferentes componentes poliméricos.

La interpenetración también resuelve otros dos problemas importantes en los supercondensadores. Aporta flexibilidad y dureza porque las interfaces detienen el crecimiento de las grietas que puedan formarse en el material. También permite que las regiones delgadas se hinchen y encojan repetidamente sin desarrollar grandes tensiones. por lo que son electroquímicamente resistentes y mantienen su rendimiento durante muchos ciclos de carga.

Actualmente, los investigadores están diseñando y evaluando racionalmente una gama de materiales que se pueden adaptar al sistema de polímeros interpenetrantes para obtener supercondensadores aún mejores.

En una próxima revisión, aceptado para su publicación en la revista Sustainable Energy and Fuels, describen las diferentes técnicas que la gente ha utilizado para mejorar los múltiples parámetros necesarios para los nuevos supercondensadores.

Dichos dispositivos podrían fabricarse en películas independientes suaves y flexibles, que podría alimentar la electrónica incorporada en la ropa inteligente, dispositivos portátiles e implantables, y robótica blanda. Los desarrolladores esperan hacer su contribución para proporcionar energía ubicua para los dispositivos emergentes de Internet de las cosas (IoT), que sigue siendo un desafío importante por delante.