Una actualización de la investigación recientemente informada sobre fibras de carbono porosas muestra cómo este material se puede utilizar en un entorno industrial, marcando un paso importante desde lo teórico a la aplicación.

Guoliang "Greg" Liu, profesor asistente de química en la Facultad de Ciencias y miembro del Instituto de Innovación de Macromoléculas, ha estado trabajando en el desarrollo de fibras de carbono con estructuras porosas uniformes. En un artículo de revista publicado recientemente en Avances de la ciencia , Liu detalló cómo su laboratorio usó copolímeros de bloque para crear fibras de carbono con mesoporos distribuidos uniformemente por todas partes. similar a una esponja.

Solo una semana después Liu ha publicado otro artículo, esta vez en Comunicaciones de la naturaleza . El nuevo artículo muestra cómo las fibras de carbono porosas de Liu pueden permitir una alta densidad de energía y altas tasas de carga de electrones / iones. que normalmente son mutuamente excluyentes en los dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica.

"Este es el siguiente paso que será relevante para la industria, ", Dijo Liu." Queremos hacer un proceso amigable para la industria. Ahora, la industria debería considerar seriamente la fibra de carbono no solo como un material estructural sino también como una plataforma de almacenamiento de energía para automóviles. aviones, y otros."

Introducción de materiales pseudocapacitivos

Las fibras de carbono ya se utilizan ampliamente en las industrias aeroespacial y automotriz debido a su alto rendimiento en una variedad de áreas. incluyendo resistencia mecánica y peso. La visión a largo plazo de Liu es construir carcasas exteriores de automóviles con fibras de carbono porosas que puedan almacenar energía dentro de los poros.

Pero el carbono por sí solo no es suficiente. Aunque es un material estructuralmente primario, el carbono no posee una densidad de energía lo suficientemente alta como para crear supercondensadores para aplicaciones muy exigentes.

El estándar actual de la industria combina el carbono con lo que se conoce como materiales pseudocapacitivos, que desbloquean la capacidad de almacenar una gran cantidad de energía pero inducen otro problema de velocidad de carga y descarga lenta.

Un material pseudocapacitivo comúnmente utilizado es el óxido de manganeso (MnO2) debido a su bajo costo y rendimiento razonable. Para cargar MnO2 en fibra de carbono u otro material, Liu empapa las fibras en una solución de precursor de KMnO4. El precursor luego reacciona con el carbono, quita una fina capa de carbono, y se ancla al resto del carbono, creando una capa fina de aproximadamente 2 nm de espesor.

Pero la industria se enfrenta a un desafío con el MnO2. Muy poco MnO2 significa que la capacidad de almacenamiento es demasiado baja. Demasiado MnO2 crea una capa demasiado gruesa que es eléctricamente aislante. Y peor ralentiza el transporte de iones. Ambos contribuyen a velocidades de carga y descarga lentas.

"Queremos acoplar carbono con materiales pseudocapacitivos porque juntos tienen una densidad de energía mucho más alta que el carbono puro. Ahora la cuestión es cómo resolver el problema de la conductividad de electrones e iones, "Dijo Liu.

Sin embargo, Liu ha descubierto que sus fibras de carbono porosas pueden superar este estancamiento. Las pruebas en su laboratorio mostraron lo mejor de ambos mundos:alta carga de MnO2 y altas tasas de carga y descarga sostenidas.

El laboratorio de Liu demostró que podían cargar hasta 7 mg / cm2 de MnO2 antes de que cayera el rendimiento. Eso es el doble o casi el triple de la cantidad de MnO2 que la industria puede utilizar actualmente.

"Hemos alcanzado el 84 por ciento del límite teórico de este material con una carga de masa de 7 mg / cm2, "Dijo Liu." Si carga 7 mg / cm2 de otros materiales, no llegarás a esto ".

Aplicaciones a corto plazo

Al ritmo que el laboratorio de Liu publica resultados, los coches propulsados ​​por carcasas exteriores podrían llegar antes de lo que pensamos, pero Liu frena esa idea.

"En una visión a largo plazo, podríamos reemplazar la gasolina con autos eléctricos con supercondensadores, "Dijo Liu." En este momento, lo mínimo de lo que podríamos hacer es utilizar esto como parte de almacenamiento de energía en los automóviles ".

Liu dijo que una aplicación a corto plazo podría utilizar las piezas de fibra de carbono para entregar mucha energía en un período corto para acelerar los autos más rápido.

Pero Liu también está mirando más allá de la industria automotriz hacia otras aplicaciones de transporte.

"Si desea que un dron entregue productos para Amazon, quieres que el dron cargue tanto peso como sea posible, y quieres que el dron sea lo más ligero posible, "Dijo Liu." Los drones basados ​​en fibra de carbono pueden hacer ambos trabajos. Las fibras de carbono son materiales estructurales fuertes para transportar las mercancías, y son materiales de almacenamiento de energía para proporcionar energía para el transporte ".

La investigación sobre este material se está acelerando en el laboratorio de Liu, y dijo que todavía tiene muchas más ideas por probar.

"Lo que creo es que las fibras de carbono porosas son un material de plataforma, "Dijo Liu." Los dos primeros documentos, nos enfocamos en el almacenamiento de energía para vehículos. Pero creemos que este material puede hacer más que eso. Con suerte, pronto podremos contar más historias ".