(PhysOrg.com) - Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han ayudado a descubrir la estructura a nanoescala de una nueva forma de carbono, contribuyendo a explicar por qué este nuevo material actúa como una esponja superabsorbente a la hora de absorber carga eléctrica. El material, que se creó recientemente en la Universidad de Texas - Austin, se puede incorporar en dispositivos de almacenamiento de energía "supercondensadores" con una capacidad de almacenamiento notablemente alta mientras se conservan otros atributos atractivos como la liberación de energía superrápida, tiempo de recarga rápido, y una vida útil de al menos 10, 000 ciclos de carga / descarga.

"Esas propiedades hacen que esta nueva forma de carbono sea particularmente atractiva para satisfacer las necesidades de almacenamiento de energía eléctrica que también requieren una liberación rápida de energía, por ejemplo, en vehículos eléctricos o para suavizar la disponibilidad de energía de fuentes de energía intermitentes, como la energía eólica y solar, "dijo el científico de materiales de Brookhaven Eric Stach, un coautor de un artículo que describe el material publicado en Ciencias el 12 de mayo 2011.

Los supercondensadores son similares a las baterías en que ambos almacenan carga eléctrica. Las baterías lo hacen mediante reacciones químicas entre electrodos metálicos y un electrolito líquido. Debido a que estos químicos tardan en reaccionar, la energía se almacena y libera con relativa lentitud. Pero las baterías pueden almacenar mucha energía y liberarla durante bastante tiempo.

Supercondensadores, por otra parte, almacenar carga en forma de iones en la superficie de los electrodos, similar a la electricidad estática, en lugar de depender de reacciones químicas. La carga de los electrodos hace que los iones del electrolito se separen, o polarizar, también, por lo que la carga se almacena en la interfaz entre los electrodos y el electrolito. Los poros en el electrodo aumentan el área de la superficie sobre la cual el electrolito puede fluir e interactuar, aumentando la cantidad de energía que se puede almacenar.

Pero debido a que la mayoría de los supercondensadores no pueden contener tanta carga como las baterías, su uso se ha limitado a aplicaciones en las que se necesitan rápidamente cantidades menores de energía, o donde un ciclo de vida prolongado es esencial, como en los dispositivos electrónicos móviles.

El nuevo material desarrollado por los investigadores de UT-Austin puede cambiar eso. Los supercondensadores fabricados con él tienen una capacidad de almacenamiento de energía, o densidad de energía, que se acerca a la densidad de energía de las baterías de plomo-ácido, conservando la alta densidad de potencia, es decir, Liberación rápida de energía:característica de los supercondensadores.

"Este nuevo material combina los atributos de ambos sistemas de almacenamiento eléctrico, ", dijo el líder del equipo de la Universidad de Texas, Rodney Ruoff." Nos sorprendió bastante su desempeño excepcional ".

El equipo de UT-Austin se había propuesto crear una forma de carbono más porosa mediante el uso de hidróxido de potasio para reestructurar las plaquetas de grafeno químicamente modificado, una forma de carbono donde los átomos están dispuestos en anillos en forma de baldosas que se colocan planos para formar un solo átomo de espesor. hojas. Esta "activación química" se ha utilizado anteriormente para crear diversas formas de "carbón activado, "que tienen poros que aumentan la superficie y se utilizan en filtros y otras aplicaciones, incluidos los supercondensadores.

Pero debido a que esta nueva forma de carbono era tan superior a otras utilizadas en supercondensadores, los investigadores de UT-Austin sabían que necesitarían caracterizar su estructura a nanoescala.

Ruoff formuló la hipótesis de que el material consistía en una red porosa tridimensional continua con paredes de un solo átomo de espesor, siendo una fracción significativa "carbono de curvatura negativa, "similar a las buckyballs de adentro hacia afuera. Se dirigió a Stach en Brookhaven para obtener ayuda con una caracterización estructural adicional para verificar o refutar esta hipótesis.

Stach y su colega de Brookhaven, Dong Su, llevaron a cabo una amplia gama de estudios en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) del laboratorio, la fuente de luz sincrotrón nacional (NSLS), y en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, las tres instalaciones cuentan con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE. "En los laboratorios del DOE, tenemos los microscopios de mayor resolución del mundo, así que realmente nos dedicamos a caracterizar la estructura atómica, "Dijo Stach.

"Nuestros estudios revelaron que la hipótesis de Ruoff era, de hecho, correcta, y que la estructura tridimensional a nanoescala del material consiste en una red de Paredes de un solo átomo de espesor que forman poros diminutos con anchos que van de 1 a 5 nanómetros, o mil millonésimas de metro ".

El estudio incluye imágenes detalladas de la estructura de poros finos y las propias paredes de carbono, así como imágenes que muestran cómo estos detalles encajan en el panorama general. "Los datos de NSLS fueron cruciales para demostrar que nuestra caracterización altamente local era representativa del material en general, "Dijo Stach.

"Todavía estamos trabajando con Ruoff y su equipo para reunir una descripción completa de la estructura del material. También estamos agregando estudios computacionales para ayudarnos a comprender cómo se forma esta red tridimensional, de modo que podamos adaptar potencialmente el tamaño de los poros para que sean óptimos para aplicaciones específicas, incluido el almacenamiento capacitivo, catálisis, y pilas de combustible, "Dijo Stach.

Mientras tanto, los científicos dicen que las técnicas de procesamiento utilizadas para crear la nueva forma de carbono son fácilmente escalables a la producción industrial. "Este material, que se fabrica tan fácilmente a partir de uno de los elementos más abundantes del universo, tendrá una amplia gama de impactos en la investigación y la tecnología tanto en el almacenamiento como en la conversión de energía". "Dijo Ruoff.