(Phys.org) —Aunque la mayoría de los vehículos eléctricos actuales dependen de baterías para almacenar energía, Los supercondensadores han disfrutado de importantes mejoras que los han convertido en serios competidores de las baterías. Las baterías tradicionalmente tienen la ventaja en términos de capacidad, dado que las bajas capacidades de los supercondensadores significan rangos de conducción muy cortos para los vehículos eléctricos. La mayor ventaja de los supercondensadores radica en su densidad de potencia mucho mayor en comparación con las baterías, lo que permite un tiempo de carga más rápido y la capacidad de descargar rápidamente para una aceleración rápida.

Un nuevo estudio realizado por un grupo de investigadores de la Universidad de Alberta y el Consejo Nacional de Investigación de Canadá, ambos en Alberta, Canadá, ha demostrado que los supercondensadores tienen un gran potencial para mejoras continuas.

Los investigadores han sintetizado un nuevo material al que llaman grafeno esponjoso debido a su estructura macroporosa 3D y han demostrado que se puede utilizar para fabricar electrodos supercondensadores. Los supercondensadores con estos nuevos electrodos tienen una densidad de energía justa cuando funcionan a densidades de potencia bajas, pero su mayor atractivo es cuando operan a densidades de potencia ultraaltas de alrededor de 48, 000 W / kg, donde pueden ofrecer una atractiva densidad de energía de 7,1 Wh / kg.

En primer lugar, una densidad de energía de 7,1 Wh / kg puede no parecer notable en comparación con la densidad de energía de las mejores baterías de iones de litio, como el récord de 400 Wh / kg de Envia System anunciado a principios de este año. Sin embargo, para reducir el tiempo que lleva cargar las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos de horas a minutos, las baterías deben tener una densidad de potencia más alta que sus mejores valores actuales de alrededor de 10, 000 W / kg. Entonces el 48, 000 W / kg de densidad de potencia de los supercondensadores informados aquí, junto con una densidad de energía de 7,1 Wh / kg, muestra que los supercondensadores pueden ofrecer a las baterías cierta competencia.

"Los supercondensadores y las baterías son dispositivos de almacenamiento de energía electroquímica bastante diferentes, "el coautor Zhi Li, tanto de la Universidad de Alberta como del Consejo Nacional de Investigación de Canadá, dicho Phys.org . "Este es un ejemplo que se usa con bastante frecuencia para demostrar sus diferencias. Si conduce un vehículo eléctrico, le gustaría una batería de alta densidad de energía para mantener el vehículo funcionando durante muchas millas y probablemente también preferiría un supercondensador de alta densidad de energía para hacer que el automóvil arranque / acelere más rápido. Los supercondensadores están diseñados para funcionar con una densidad de potencia mucho mayor (carga / descarga rápida). 7.1 Wh / kg está lejos de ser atractivo para una batería. Sin embargo, esta energía se entrega en menos de 2 segundos. Creo que ninguna de las baterías existentes está preparada para hacer eso ".

Como explican los investigadores en su estudio, Sintetizaron el grafeno similar a una esponja a partir de nanotubos de carbono de paredes múltiples y moléculas de ftalocianina de cobalto (PC) que se adhieren a los sitios de nucleación en el "esqueleto" de los nanotubos. Estos materiales se calentaron en microondas durante 20 minutos para producir grafito, y luego se enfría inmediatamente con agua helada para transformar el grafito en escamas de grafeno. Imágenes de microscopio electrónico de barrido revelaron una morfología similar a una esponja muy uniforme en la estructura del carbono.

En experimentos, Los investigadores demostraron que los electrodos hechos de grafeno similar a una esponja son estables en dos electrolitos comunes (líquido iónico y acuoso) utilizados en supercondensadores. Si bien muchos electrodos de supercondensador funcionan bien solo a temperaturas de 60 ° C (140 ° F) o superiores, los electrodos de grafeno en forma de esponja funcionan muy bien a temperatura ambiente. Los investigadores atribuyen tanto el buen funcionamiento a temperatura ambiente como la capacidad de transferencia rápida de electrolitos (y la alta densidad de potencia resultante) a la estructura macroporosa esponjosa del electrodo.

Los electrodos de grafeno en forma de esponja también exhiben un excelente ciclo de vida. Después de pasar por 10, 000 ciclos de carga-descarga, los electrodos retuvieron el 90% de su capacidad en el electrolito líquido iónico y el 98% en el electrolito acuoso.

"En este trabajo, cultivamos grafeno entre CNT y obtenemos una nanoarquitectura capaz de entregar energía a una densidad de potencia súper alta, "Dijo Li." Sin embargo, la contribución más significativa del trabajo es que demostramos un método adecuado para hacer grafeno en el espacio limitado de otros nanomateriales. PC los materiales de partida que usamos, son moléculas pequeñas de menos de 2 nm y pueden caber en el diminuto espacio de otros nanomateriales. Después de la carbonización y templado, Las PC son en el lugar convertido en grafeno. Además, esta conversión es una reacción autocatalizada que ofrece una gran flexibilidad para hacer una composición de grafeno con otros nanomateriales. Como tú sabes, los compuestos de grafeno tienen una aplicación mucho más amplia que el propio grafeno ".

En general, Los resultados se basan en investigaciones anteriores que demuestran que las estructuras de grafeno 3D pueden servir como una estructura ideal para electrodos de supercondensadores al permitir una rápida transferencia de electrolitos a través de los canales porosos. Los investigadores esperan que nuevas mejoras en el futuro hagan que los supercondensadores sean atractivos para los vehículos eléctricos. sistemas de respaldo de energía, y otras aplicaciones de alta potencia.

"Estamos buscando una forma de hacer que el grafeno sea más delgado, lo que daría a las nanoarquitecturas más densidad energética, "Dijo Li." El espesor actual del grafeno es de unas 5-6 capas. Nuestro objetivo es hacerlo menos de 2 capas. Eso duplicará o triplicará la densidad de energía de los materiales sin sacrificar la densidad de energía ".

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