Un equipo que trabaja con Roland Fischer, El profesor de Química Inorgánica y Metal Orgánica de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha desarrollado un supercondensador de alta eficiencia. La base del dispositivo de almacenamiento de energía es una novedad, material híbrido de grafeno potente y sostenible que tiene datos de rendimiento comparables a los de las baterías utilizadas actualmente.

Generalmente, El almacenamiento de energía está asociado con baterías y acumuladores que proporcionan energía para dispositivos electrónicos. Sin embargo, en laptops, cámaras, teléfonos móviles o vehículos, los llamados supercondensadores se instalan cada vez más en estos días.

A diferencia de las baterías, pueden almacenar rápidamente grandes cantidades de energía y apagarla con la misma rapidez. Si, por ejemplo, un tren frena al entrar en la estación, Los supercondensadores almacenan la energía y la proporcionan de nuevo cuando el tren necesita mucha energía muy rápidamente durante el arranque.

Sin embargo, un problema con los supercondensadores hasta la fecha era su falta de densidad de energía. Mientras que los acumuladores de litio alcanzan una densidad de energía de hasta 265 kilovatios hora (KW / h), hasta ahora, los supercondensadores solo han entregado una décima parte.

El material sostenible proporciona un alto rendimiento.

El equipo que trabaja con el químico de TUM, Roland Fischer, ha desarrollado una novela, material híbrido de grafeno potente y sostenible para supercondensadores. Sirve como electrodo positivo en el dispositivo de almacenamiento de energía. Los investigadores lo están combinando con un electrodo negativo probado basado en titanio y carbono.

El nuevo dispositivo de almacenamiento de energía no solo alcanza una densidad de energía de hasta 73 Wh / kg, que es aproximadamente equivalente a la densidad de energía de una batería de hidruro metálico de níquel, pero también funciona mucho mejor que la mayoría de los otros supercondensadores con una densidad de potencia de 16 kW / kg. El secreto del nuevo supercondensador es la combinación de diferentes materiales; por lo tanto, los químicos se refieren al supercondensador como "asimétrico".

Materiales híbridos:la naturaleza es el modelo a seguir

Los investigadores están apostando por una nueva estrategia para superar los límites de rendimiento de los materiales estándar:utilizan materiales híbridos. "La naturaleza está llena de materiales híbridos evolutivamente optimizados:huesos y dientes son ejemplos. Sus propiedades mecánicas, como la dureza y la elasticidad se optimizaron mediante la combinación de varios materiales por naturaleza, "dice Roland Fischer.

La idea abstracta de combinar materiales básicos fue transferida a supercondensadores por el equipo de investigación. Como base, utilizaron el novedoso electrodo positivo de la unidad de almacenamiento con grafeno modificado químicamente y lo combinaron con un marco organometálico nanoestructurado, un llamado MOF.

Potente y estable

Para el rendimiento de los híbridos de grafeno son decisivos, por un lado, una gran superficie específica y tamaños de poro controlables y, por otro lado, una alta conductividad eléctrica. "Las capacidades de alto rendimiento del material se basan en la combinación de los MOF microporosos con el ácido de grafeno conductor, "explica el primer autor Jayaramulu Kolleboyina, un ex científico invitado que trabaja con Roland Fischer.

Una superficie grande es importante para buenos supercondensadores. Permite la recolección de una gran cantidad de portadores de carga dentro del material, este es el principio básico para el almacenamiento de energía eléctrica.

A través de un hábil diseño de materiales, los investigadores lograron la hazaña de vincular el ácido de grafeno con los MOF. Los MOF híbridos resultantes tienen una superficie interior muy grande de hasta 900 metros cuadrados por gramo y tienen un alto rendimiento como electrodos positivos en un supercondensador.

Larga estabilidad

Sin embargo, esa no es la única ventaja del nuevo material. Para lograr un híbrido químicamente estable, se necesitan fuertes enlaces químicos entre los componentes. Los enlaces son aparentemente los mismos que los que existen entre los aminoácidos en las proteínas, según Fischer:"De hecho, hemos conectado el ácido grafeno con un aminoácido MOF, que crea un tipo de enlace peptídico ".

La conexión estable entre los componentes nanoestructurados tiene enormes ventajas en términos de estabilidad a largo plazo:cuanto más estables son los enlaces, Cuantos más ciclos de carga y descarga sean posibles sin un deterioro significativo del rendimiento.

A modo de comparación:un acumulador de litio clásico tiene una vida útil de alrededor de 5, 000 ciclos. La nueva celda desarrollada por los investigadores de TUM conserva cerca del 90 por ciento de su capacidad incluso después de 10, 000 ciclos.

Red internacional de expertos

Fischer enfatiza cuán importante fue la cooperación internacional sin restricciones que los investigadores controlaron ellos mismos en lo que respecta al desarrollo del nuevo supercondensador. Respectivamente, Jayaramulu Kolleboyina creó el equipo. Fue un científico invitado de la India invitado por la Fundación Alexander von Humboldt y quien ahora es el jefe del departamento de química en el recientemente establecido Instituto Indio de Tecnología en Jammu.

"Nuestro equipo también se conectó con expertos en investigación de baterías y electroquímica en Barcelona, ​​así como con expertos en derivados del grafeno de la República Checa, "informa Fischer". Además, contamos con socios integrados de EE. UU. y Australia. Esta maravilla, la cooperación internacional promete mucho para el futuro ".