La creciente demanda de almacenamiento de energía, impulsada por la urbanización y la escasez de recursos fósiles, ha generado interés en fuentes renovables y dispositivos como supercondensadores. La nanocelulosa (NC), derivada de celulosa, se explora como una alternativa ecológica y económica a los materiales tradicionales en dispositivos de almacenamiento energético. Con propiedades como alta relación de aspecto y buena estabilidad térmica, NC es ideal para electrodos y separadores en supercondensadores. Esta revisión destaca el avance en el uso de NC para supercondensadores, comparándolos con dispositivos basados en celulosa convencional y resaltando el aumento en la investigación en este CAMPO.
SUPERCONDENSADOR: UNA OPCIÓN PROMETEDORA PARA ALMACENAR ENERGÍA.
Densidad de energía y potencia de los dispositivos.
Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía que ofrecen un equilibrio entre densidad de energía y potencia, representado en el gráfico de Ragone. Este gráfico compara diferentes sistemas de almacenamiento, mostrando la densidad de energía frente a la densidad de potencia en una escala logarítmica. Los supercondensadores están situados entre los dispositivos que liberan energía en microsegundos (como los condensadores) y aquellos que lo hacen en horas (como las baterías). La integración de nanocelulosa (NC) y materiales basados en grafeno en los supercondensadores mejora significativamente sus propiedades electroquímicas. Sin embargo, aún hay margen para mejorar la densidad de energía y potencia de estos dispositivos.
Tipos de supercondensadores.
Condensadores Electroquímicos de Doble Capa (EDLC): Almacenan energía mediante la transferencia de carga en la interfaz electroquímica entre el electrodo y el electrolito, ofreciendo una alta densidad de potencia y un ciclo de vida largo, pero con menor densidad de energía.
Pseudocondensadores: Utilizan materiales como óxidos metálicos y polímeros conductores que implican reacciones redox, proporcionando mayor densidad de energía, pero con un ciclo de vida más corto y menor velocidad.
Supercondensadores Híbridos: Combinan los principios de EDLC y pseudocondensadores para superar las limitaciones de ambos. Estos híbridos pueden ser simétricos (electrodos similares), asimétricos (electrodos diferentes) o de tipo batería (combinación de un electrodo de supercondensador con uno de batería), ofreciendo un equilibrio óptimo entre densidad de energía y potencia. Los supercondensadores híbridos, en particular, muestran un rendimiento superior en comparación con los EDLC y pseudocondensadores individuales.
Materiales para supercondensadores.
La elección de materiales para supercondensadores es crucial para optimizar su rendimiento. Los materiales de los electrodos se dividen en tres categorías:
· Materiales de Carbono: Incluyen nanotubos de carbono, grafeno y carbón activado.
· Materiales Inorgánicos: Como óxido de manganeso, óxido de titanio y materiales a base de litio.
· Polímeros Conductores: Ejemplos son la polianilina (PANI) y el polipirrol (PPY), que permiten una mayor capacitancia específica al almacenar y liberar cargas a través de reacciones redox en su estructura polimérica.
Celulosa frente a NC en supercondensadores.
La celulosa transformada en nanocelulosa (NC) La NC ofrece ventajas como mayor área de superficie específica, mejor cristalinidad, pureza, y relación de aspecto, además de mejor biocompatibilidad, reactividad química de la superficie, y resistencia mecánica. Estos cambios resultan en un rendimiento superior de los supercondensadores fabricados con NC en comparación con aquellos hechos de celulosa convencional.
MÉTODOS DE SÍNTESIS DE NANOCELULOSA (NC)
La síntesis de nanocelulosa (NC) se realiza en dos pasos principales:
Pretratamiento: Se aísla la celulosa del material lignocelulósico.
Transformación: La celulosa se convierte en formas nanoestructuradas como nanocristales de celulosa (CNC) o nanofibrillas de celulosa (CNF).
CNC: Se obtiene mediante hidrólisis ácida y requiere tratamientos adicionales como eliminación de solventes, neutralización, y secado. Los CNC tienen una estructura cilíndrica con un ancho de 4-70 nm y una longitud de 100-6000 nm.
CNF: Se produce mediante tratamientos químicos, mecánicos y enzimáticos, resultando en fibras largas y anchas (20-100 nm de ancho y >10,000 nm de largo) con menor cristalinidad que los CNC.
Nanocelulosa Bacteriana (BNC): Se sintetiza en dos etapas por bacterias, mediante la producción y cristalización de β-1,4-cadenas de glucano. Un ejemplo es el uso de la cepa K. sucrofermentans en un medio específico.
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Tamaño del mercado global de nanocelulosa.
El mercado global de nanocelulosa (NC) se proyecta que crezca de USD 297 millones en 2020 a USD 783 millones en 2025, con una tasa de crecimiento anual del 21,3%. Este aumento se debe a la demanda de productos sostenibles y la escasez de recursos. Europa lidera el mercado, especialmente en pulpa y papel, con apoyo financiero gubernamental. Las principales aplicaciones del NC incluyen pulpa y papel, compuestos, embalajes, biomédico, farmacéutico, cosmético y electrónica. Las nanofibrillas de celulosa (CNF), que representan más del 50% del mercado, se destacan por su baja permeabilidad al oxígeno y se espera que crezcan a una CAGR del 20,5%
SUPERCONDENSADORES BASADOS EN NANOCELULOSA (NC)
Las nanocelulosas (NC) superan a las fibras de celulosa a macroescala en supercondensadores debido a su alta relación superficie-volumen, resistencia mecánica, estabilidad térmica y biocompatibilidad. Se utilizan en la fabricación de electrodos, separadores y otros componentes, y los materiales de carbono derivados de NC mejoran la capacitancia específica, densidad de energía y densidad de potencia de los supercondensadores. La porosidad y ligereza de NC facilitan una mejor transferencia de iones y electrones, aumentando la capacitancia y optimizando el rendimiento de los dispositivos. Electrodos basados en nanocelulosa (NC):
Esto se logra de dos maneras principales:
1) recubriendo NC con materiales conductores mediante técnicas como deposición, o 2) mezclando NC directamente con materiales conductores como carbono, partículas metálicas o polímeros conductores a través de polimerización o mezcla in situ. Estas técnicas permiten que NC se convierta en un material conductor, mejorando la estabilidad, rendimiento y reduciendo costos en la fabricación de electrodos.
Combinación NC con polímeros conductores.
Los polímeros conductores como polipirrol (PPy) y polianilina (PANI) se combinan con nanocelulosa (NC) para mejorar su conductividad y propiedades mecánicas. La combinación se realiza principalmente mediante polimerización in situ, donde NC actúa como la matriz y el polímero conductor se incorpora como relleno. Este método supera las limitaciones de solubilidad y manufactura de los polímeros conductores. La interacción entre los grupos funcionales del polímero y la superficie de NC, como la oxidación TEMPO, mejora la afinidad y estabilidad del híbrido. La polimerización in situ también ofrece ventajas como facilidad de fabricación, bajo costo y creación de estructuras de red 3D, lo que mejora las propiedades electromecánicas del material compuesto.
Combinación NC con carbonos conductores.
La combinación de nanocelulosa (NC) con materiales de carbono, como nanotubos de carbono (CNT) y grafeno, mejora significativamente la conductividad de los compuestos. Los CNT y el grafeno son altamente conductores y ofrecen excelentes propiedades mecánicas y térmicas. Los compuestos NC/carbono, fabricados mediante recubrimiento o mezcla, exhiben mejores propiedades mecánicas y conductoras que los compuestos basados en polímeros conductores. La mezcla de partículas de carbono en la matriz de NC suele ser más efectiva que el recubrimiento, ya que permite una mayor incorporación de partículas conductoras y proporciona una red conductora conectada, mejorando la conductividad eléctrica y la estabilidad electromecánica del material.
Combinación NC con partículas metálicas.
La combinación de nanocelulosa (NC) con partículas metálicas, como plata, mejora significativamente la conductividad del material compuesto. Las partículas metálicas, que tienen una alta conductividad intrínseca (~105 S/cm), se integran en la matriz de NC mediante recubrimiento o mezcla. Técnicas como la impresión por inyección de tinta y el tratamiento a alta temperatura potencian la conductividad, permitiendo crear circuitos altamente conductores con baja resistencia y fabricar compuestos de alto rendimiento.
ELECTROLITOS Y SEPARADORES BASADOS EN NC
Electrolitos basados en NC.
Definición y Rol: Los electrolitos permiten el flujo de carga entre electrodos en dispositivos de almacenamiento de energía. Los electrolitos líquidos ofrecen alta conductividad iónica pero presentan riesgos de seguridad. Alternativas como los electrolitos en gel y sólidos (poliméricos y inorgánicos) ofrecen mejor estabilidad y densidad de energía.
Electrolitos Poliméricos Sólidos (SPE): Incorporar NC en SPEs mejora su resistencia mecánica sin afectar mucho la conductividad. Ejemplos incluyen el uso de NC en matrices de polietileno y otros polímeros, aumentando la estabilidad dimensional y la capacidad de carga de ion.
Electrolitos en Gel (GPE): Los GPEs, que combinan electrolitos líquidos con matrices poliméricas, también se benefician del uso de NC. La alta polaridad de los derivados de NC mejora la conductividad iónica y la absorción de electrolitos. Ejemplos incluyen matrices de PVDF con NC ciano etilados y nano papel NFC para mejorar la estabilidad y la estructura porosa.
Membranas/Separadores Basados en NC.
Función de los Separadores: Los separadores mantienen el aislamiento eléctrico entre el cátodo y el ánodo en dispositivos de almacenamiento de energía, evitando cortocircuitos internos y mejorando la seguridad. También permiten el transporte de iones a través de sus poros llenos de electrolitos líquidos.
Limitaciones de los Separadores Tradicionales: Los separadores de poliolefinas (como polietileno y polipropileno) son comunes pero presentan problemas como bajo punto de fusión, alta contracción térmica, y baja humectabilidad, lo que puede afectar negativamente la eficiencia en aplicaciones de alta potencia.
Ventajas de los Separadores Basados en NC.
Propiedades Mejoradas: Los separadores basados en NC ofrecen mejor estabilidad térmica, propiedades mecánicas superiores, y mayor humectabilidad electrolítica. Esto resulta en una mejor conductividad iónica y menor contracción térmica en comparación con los separadores tradicionales.
Estructura Porosa: Las membranas de NC tienen una estructura porosa que mejora la conductividad iónica. Ejemplos incluyen películas de CNF con nanoestructuras laberínticas que exhiben alta conductividad iónica (0,77 mS/cm) y mejor estabilidad térmica que los separadores de poliolefinas.
Innovaciones Adicionales: La incorporación de nanopartículas de sílice (SiO2) y el uso de materiales funcionalizados, como terpiridina (TPY), pueden controlar la estructura porosa y reducir efectos adversos en el electrolito, mejorando significativamente la duración del ciclo y la seguridad.
Aplicaciones Avanzadas: Se han desarrollado supercondensadores de estado sólido utilizando NC como matriz para electrolitos y separadores, mostrando alta capacitancia y resistencia, y evitando problemas de fugas de electrolitos líquidos.
ASPECTOS TÉCNICOS
Supercondensadores Flexibles: Se requiere desarrollar supercondensadores pequeños y de alto rendimiento para aplicaciones en textiles inteligentes y electrónicos portátiles, usando nanoestructuras avanzadas. Ejemplos incluyen dispositivos de grafeno dopado y supercondensadores estirables con electrodos de CNT.
Dispositivos Híbridos: Los supercondensadores híbridos combinan las ventajas de baterías y supercondensadores, ofreciendo alta densidad de potencia y energía. Ejemplos incluyen supercondensadores de iones de sodio, potasio y zinc, que muestran excelente rendimiento y larga vida útil.
Aplicaciones Comerciales
Demanda Creciente: Los supercondensadores son cada vez más relevantes para dispositivos portátiles, telecomunicaciones, vehículos eléctricos, y energías limpias debido a su baja resistencia serie equivalente (ESR), alta capacidad de ciclo y amplio rango de temperaturas de funcionamiento.
Desafíos en el Desarrollo de Supercondensadores
Problemas Técnicos: Los supercondensadores tienen una densidad de energía menor que las baterías (menos de 20 Wh/kg frente a 30-200 Wh/kg). Aumentar la densidad de energía es crucial y se está investigando mediante nuevos materiales y electrolitos con mayores ventanas de voltaje.
Parámetros del Modelo Eléctrico: Los supercondensadores suelen operar a voltajes bajos (menos de 2,7 V), requiriendo conexiones en serie que pueden afectar su vida útil si no se gestionan adecuadamente.
Detección de Consistencia: Es esencial monitorear el voltaje constante en supercondensadores conectados en serie para evitar sobrecargas que reduzcan su vida útil.
Estándar Industrial: Falta de normas uniformes a nivel industrial para medir y evaluar supercondensadores, lo que impide un desarrollo coherente y estandarizado en el sector. Se necesita establecer un conjunto de normas técnicas internacionales.
CONCLUSIÓN Y PERSPECTIVAS FUTURAS
El nanocelulósico (NC) ofrece propiedades únicas que lo hacen valioso en el almacenamiento de energía, actuando como matriz o relleno en supercondensadores y otros dispositivos. Se utiliza para mejorar las propiedades electroquímicas de materiales de carbono y como separador o relleno en electrolitos poliméricos gelificados (GPE). Aunque se han logrado avances significativos en su uso para supercondensadores y baterías de iones, persisten desafíos como la producción y conversión de NC, y su aplicación en baterías de iones metálicos menos comunes. Se espera que el NC juegue un papel creciente en la transición hacia energías más ecológicas.
REFERENCIAS:
Esta información es expedida del Art. Review on nanocellulose-based materials for supercapacitors applications , Autores : Gedefaw Asmare Tafete, Metadel Kassahun Abera, Ganesh Thothadri.
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