Los científicos de la Universidad de Stanford han creado un nuevo material de carbono que aumenta significativamente el rendimiento de las tecnologías de almacenamiento de energía. Sus resultados aparecen en la portada de la revista. Ciencia Central ACS .

"Hemos desarrollado un 'carbono de diseño' que es a la vez versátil y controlable, "dijo Zhenan Bao, el autor principal del estudio y profesor de ingeniería química en Stanford. "Nuestro estudio muestra que este material tiene una capacidad excepcional de almacenamiento de energía, lo que permite un rendimiento sin precedentes en supercondensadores y baterías de litio-azufre ".

Según Bao, el nuevo carbón de diseño representa una mejora espectacular con respecto al carbón activado convencional, un material económico ampliamente utilizado en productos que van desde filtros de agua y desodorantes de aire hasta dispositivos de almacenamiento de energía.

"Una gran cantidad de carbón activado barato se elabora a partir de cáscaras de coco, "Dijo Bao." Para activar el carbón, los fabricantes queman el coco a altas temperaturas y luego lo tratan químicamente ".

El proceso de activación crea agujeros de tamaño nanométrico, o poros, que aumentan la superficie del carbono, lo que le permite catalizar más reacciones químicas y almacenar más cargas eléctricas.

Pero el carbón activado tiene serios inconvenientes, Dijo Bao. Por ejemplo, hay poca interconectividad entre los poros, lo que limita su capacidad para transportar electricidad.

"Con carbón activado, no hay forma de controlar la conectividad de los poros, "Bao dijo." Además, muchas impurezas de las cáscaras de coco y otras materias primas se transportan al carbono. Como desodorante para frigoríficos, el carbón activado convencional está bien, pero no proporciona un rendimiento suficientemente alto para dispositivos electrónicos y aplicaciones de almacenamiento de energía ".

Redes 3-D

En lugar de usar cáscaras de coco, Bao y sus colegas desarrollaron una nueva forma de sintetizar carbono de alta calidad utilizando productos químicos y polímeros económicos y no contaminados.

El proceso comienza con la conducción de hidrogel, un polímero a base de agua con una textura esponjosa similar a las lentes de contacto blandas.

"Los polímeros de hidrogel forman un marco tridimensional que es ideal para la conducción de electricidad, ", Dijo Bao." Este marco también contiene moléculas orgánicas y átomos funcionales, como el nitrógeno, que nos permiten sintonizar las propiedades electrónicas del carbono ".

Para el estudio, El equipo de Stanford utilizó un proceso de activación y carbonización suave para convertir las estructuras orgánicas del polímero en láminas de carbono de nanómetros de espesor.

"Las láminas de carbono forman una red 3-D que tiene buena conectividad de poros y alta conductividad electrónica, "dijo el estudiante de posgrado John To, coautor principal del estudio. "También agregamos hidróxido de potasio para activar químicamente las láminas de carbono y aumentar su superficie".

El resultado:carbono de diseño que se puede ajustar para una variedad de aplicaciones.

"Lo llamamos carbono de diseño porque podemos controlar su composición química, tamaño de poro y área de superficie simplemente cambiando el tipo de polímeros y enlazadores orgánicos que usamos, o ajustando la cantidad de calor que aplicamos durante el proceso de fabricación, " A dicha.

Por ejemplo, elevar la temperatura de procesamiento de 750 grados Fahrenheit (400 grados Celsius) a 1, 650 F (900 C) dio como resultado un aumento de 10 veces en el volumen de los poros.

El procesamiento posterior produjo material de carbono con una superficie récord de 4, 073 metros cuadrados por gramo, el equivalente a tres campos de fútbol americano empaquetados en una onza de carbono. La superficie máxima alcanzada con carbón activado convencional es de aproximadamente 3, 000 metros cuadrados por gramo.

"Una gran superficie es esencial para muchas aplicaciones, incluida la electrocatálisis, almacenar energía y capturar las emisiones de dióxido de carbono de las fábricas y centrales eléctricas, "Dijo Bao.

Supercondensadores

Para ver cómo se comportó el nuevo material en condiciones del mundo real, el equipo de Stanford fabricó electrodos recubiertos de carbono y los instaló en baterías y supercondensadores de litio-azufre.

"Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía ampliamente utilizados en el transporte y la electrónica debido a su capacidad de carga y descarga ultrarrápida, "dijo el académico postdoctoral Zheng Chen, un coautor principal. "Para supercondensadores, el material de carbono ideal tiene una gran superficie para almacenar cargas eléctricas, alta conductividad para el transporte de electrones y una arquitectura de poros adecuada que permite el rápido movimiento de iones desde la solución de electrolito a la superficie del carbono ".

En el experimento, se aplicó una corriente a supercondensadores equipados con electrodos de carbono de diseño.

Los resultados fueron dramáticos. La conductividad eléctrica mejoró tres veces en comparación con los electrodos supercondensadores hechos de carbón activado convencional.

"También descubrimos que nuestro carbono de diseño mejoró la tasa de suministro de energía y la estabilidad de los electrodos, "Añadió Bao.

Pilas

También se realizaron pruebas en baterías de litio-azufre, una tecnología prometedora con un grave defecto:cuando el litio y el azufre reaccionan, producen moléculas de polisulfuro de litio, que puede filtrarse del electrodo al electrolito y hacer que la batería falle.

El equipo de Stanford descubrió que los electrodos hechos con carbono de diseño pueden atrapar esos molestos polisulfuros y mejorar el rendimiento de la batería.

"Podemos diseñar fácilmente electrodos con poros muy pequeños que permitan que los iones de litio se difundan a través del carbono pero eviten que los polisulfuros se filtren". ", Dijo Bao." Nuestro carbono de diseño es fácil de fabricar, relativamente barato y cumple con todos los requisitos críticos para electrodos de alto rendimiento ".