Supercondensadores Flexibles: Innovación Energética con Papel de Nanocelulosa y Nanotubos de Carbono
Los UPERCoderCapacitors son dispositivos de almacenamiento de energía ideales para aplicaciones flexibles y portátiles, gracias a su alta potencia, larga vida útil y bajo mantenimiento. A diferencia de las baterías, los supercondensadores ofrecen mayor seguridad y un menor impacto ambiental.
Para optimizar su rendimiento, es crucial considerar aspectos como la flexibilidad física, las propiedades electroquímicas y la integridad mecánica de los materiales. Los papeles, especialmente aquellos fabricados con nanocelulosa bacteriana (BNC), son excelentes candidatos para estas aplicaciones, ya que combinan flexibilidad con la capacidad de integrarse con nanotubos de carbono. Además, el BNC proporciona mayor resistencia mecánica y estabilidad química en comparación.
Las propiedades mecánicas de los papeles de nanocelulosa bacteriana (BNC) se benefician de la pequeña dimensión de sus fibras, que son significativamente más delgadas que las de celulosa convencional, lo que les confiere mayor resistencia y flexibilidad. Esto los hace más compatibles con las condiciones electroquímicas de los supercondensadores.
Por otro lado, los nanotubos de carbono (CNT) son ideales para electrodos en aplicaciones flexibles, gracias a su alta relación de aspecto, conductividad y estructura unidimensional que facilita su integración en superficies rugosas. Además, los geles poliméricos a base de líquidos iónicos ofrecen propiedades electroquímicas favorables, mejorando la estabilidad y la mecánica de los supercondensadores. Este trabajo presenta la fabricación de supercondensadores flexibles de estado sólido que combinan BNC, CNT y geles de copolímero tribloque, mostrando una capacitancia específica de 50,5 F/gy excelente rendimiento tras 5000 ciclos de carga/descarga. Esto sugiere un gran potencial para su uso en dispositivos de almacenamiento.
El proceso de fabricación de papeles de nanocelulosa bacteriana (BNC) y su recubrimiento con nanotubos de carbono (CNT) comienza con el cultivo de Gluconacetobacter xylinus, que produce BNC de manera eficiente. Las películas de BNC se forman en el medio de cultivo y se someten a un tratamiento térmico para eliminar impurezas.
Posteriormente, se prensan y secan para obtener un papel semitransparente. Se aplica un recubrimiento de CNT mediante filtrado al vacío, lo que resulta en una buena integración mecánica entre ambos materiales. La caracterización revela una alta cristalinidad del BNC y excelentes propiedades mecánicas y capacitivas del papel CNT/BNC, evidenciadas por pruebas electroquímicas que indican un comportamiento capacitivo casi ideal con alta eficiencia combinada.
Los supercondensadores con geles iónicos exhiben un excelente rendimiento capacitivo, evidenciado por diagramas de Nyquist que muestran una línea casi vertical en baja frecuencia y una resistencia en serie equivalente (ESR) de aproximadamente 31,3 Ω. Su capacitancia se mantiene estable, con una variación menor al 0,5% tras más de 5000 ciclos de carga/descarga a 10 A/g.
La integridad mecánica de estos supercondensadores, gracias a un copolímero tribloque que combina poliestireno y poli(óxido de etileno), se mantiene sin delaminación durante tensiones mecánicas. Comparados con supercondensadores de gel líquido, estos presentan mejor rendimiento y mayor resistencia a ciclos de flexión. Además, demostraron capacidad para iluminar un diodo emisor de luz, mostrando potencia comparable a los supercondensadores con electrolitos líquidos.
La capacitancia de los supercondensadores, tanto los flexibles como los basados en electrolitos líquidos, disminuye de manera similar al aumentar la densidad de corriente de 1 a 30 A/g, sugiriendo que la movilidad iónica en ambos sistemas es comparable.
Sin embargo, los supercondensadores de ion-gel presentan una capacitancia específica (Csp) inferior, posiblemente debido a un recubrimiento parcial de los nanotubos de carbono (CNT) con copolímeros, lo que limita el área accesible para los iones. A pesar de esto, ambos tipos muestran características de potencia similares en un diagrama de Ragone, aunque los supercondensadores de gel exhiben una energía específica más baja debido a su Csp reducido. La energía y potencia específicas se calculan basándose en la capacitancia y el voltaje después de la caída de IR durante las descargas.
La movilidad iónica comparable entre los electrolitos de gel y líquidos iónicos se debe a la formación de nanoestructuras segregadas en el copolímero tribloque, donde los bloques de poli(óxido de etileno) (PEO) son miscibles con líquidos iónicos y permiten que estos se mantengan en espacios a nanoescala, mientras que los bloques de poliestireno (PS) no lo son.
Esto resulta en que el espacio ocupado por el líquido iónico en la matriz polimérica es mayor que el de los iones, lo que facilita una movilidad iónica similar a la del líquido iónico puro. Además, hay múltiples combinaciones de líquidos iónicos y copolímeros, lo que ofrece oportunidades para mejorar las propiedades de los geles iónicos y optimizar su uso en supercondensadores
CONCLUSIÓN:
Se han creado supercondensadores flexibles de estado sólido utilizando nanocelulosa bacteriana (BNC), nanotubos de carbono (CNT) y geles iónicos. Estos supercondensadores demostraron capacidades de almacenamiento de energía muy buenas, alcanzando 50,5 F/g (aproximadamente 20,2 mF/cm²) y 15,5 mWh/g de energía. Además, se mantuvieron estables, mostrando menos del 0,5% de cambio en su capacidad después de 5000 ciclos de carga y descarga. Gracias a la excelente conexión entre las tres capas del dispositivo, su rendimiento se mantuvo sólido incluso al doblarlos. Esta innovación con geles iónicos BNC/CNT en supercondensadores flexibles puede ser un gran paso adelante para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía más avanzados y flexibles.
REFERENCIAS:
Esta información es expedida del Art. All-Solid-State Flexible Supercapacitors Fabricated with Bacterial Nanocellulose Papers, Carbon Nanotubes, and Triblock-Copolymer Ion Gels, Autores : Yu Jin Kang, Sang-Jin Chun, Sung-Suk Lee, Bo-Yeong Kim, Jung Hyeun Kim, Haegeun Chung, Sun-Young Lee, y Woong Kim.
Comments