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(Foco Nanowerk) La electricidad impulsa nuestro mundo moderno, desde la electrónica cotidiana hasta la infraestructura crítica. A medida que los dispositivos se vuelven más avanzados y ubicuos, existe una necesidad urgente de soluciones de almacenamiento de energía seguras, compactas y de alto rendimiento que funcionen de manera confiable en cualquier entorno. Las baterías han sido durante mucho tiempo la tecnología dominante y ofrecen una alta densidad de energía. Sin embargo, sufren problemas de seguridad, potencia de salida limitada y rendimiento reducido en temperaturas extremas.
Los condensadores, que almacenan energía en campos eléctricos, ofrecen alto rendimiento y durabilidad, pero no pueden igualar la densidad de energía de las baterías. Durante décadas, los científicos han intentado combinar lo mejor de ambos, desarrollando dispositivos híbridos llamados pseudocondensadores.
Un pseudocondensador es un tipo de condensador electroquímico que cierra la brecha entre los condensadores tradicionales y las baterías. Almacena carga a través de reacciones redox rápidas y reversibles que ocurren en la superficie de sus electrodos, que generalmente están hechos de materiales nanoestructurados de alta superficie. Este mecanismo de almacenamiento de carga pseudocapacitivo permite que los pseudocondensadores alcancen densidades de energía similares a las de las baterías, manteniendo al mismo tiempo el alto rendimiento y la larga vida útil característicos de los condensadores.
Los pseudocondensadores que funcionan de manera confiable en los ambientes más fríos y calientes podrían alimentar dispositivos electrónicos portátiles, sensores remotos y equipos de exploración en las condiciones más duras. Podrían encontrar aplicación en misiones espaciales, drones a gran altitud, vigilancia submarina y operaciones de petróleo y gas.
Además, la naturaleza modular y escalable de los pseudocondensadores los hace atractivos para el almacenamiento de energía a escala de red. Al amortiguar la producción intermitente de los parques eólicos y solares, podrían ayudar a acelerar la transición a un sistema energético neutro en carbono. Sus capacidades de carga y descarga rápidas también son ideales para el frenado regenerativo en vehículos y trenes eléctricos, mejorando la eficiencia energética.
Los pseudocondensadores utilizan electrodos hechos de materiales nanoestructurados que sufren reacciones redox rápidas y reversibles en su superficie. Este mecanismo de almacenamiento de carga pseudocapacitivo, similar al que se encuentra en las baterías, aumenta la densidad de energía manteniendo el alto rendimiento y la longevidad característicos de los condensadores.
«El progreso en el desarrollo de pseudocondensadores se ha visto obstaculizado por la falta de materiales de electrodos y electrolitos adecuados», explica el Dr. dijo a Nanowerk Debasis Ghosh, profesor asistente en el Centro de Nanociencias y Ciencias de Materiales de la Universidad Jain, India. “La mayoría de los electrolitos acuosos tienen ventanas de estabilidad electroquímica estrechas, lo que limita los voltajes de funcionamiento. Los electrolitos orgánicos amplían el rango de voltaje pero conllevan el riesgo de inflamabilidad. Los líquidos iónicos son caros y, a menudo, demasiado viscosos para su uso práctico. En el frente de los electrodos, los óxidos de metales de transición ofrecen capacidades atractivas, pero tienen problemas de baja conductividad, degradación estructural y transporte de iones ineficiente”.
En los últimos años, los avances en ciencia e ingeniería de materiales han reavivado la esperanza de pseudocondensadores de alto rendimiento. Ahora se pueden utilizar técnicas de nanoestructuración para producir materiales de electrodos con grandes superficies que permitan una rápida transferencia de carga. Los innovadores electrolitos de “agua en sal” que utilizan altas concentraciones de sal están superando los límites de la estabilidad del agua a voltajes similares a los de las baterías. Los colectores de corriente flexibles y las arquitecturas de dispositivos innovadoras allanan el camino para la integración de pseudocondensadores en aplicaciones electrónicas portátiles y compactas. El escenario está preparado para una nueva generación de soluciones de almacenamiento de energía seguras, versátiles y duraderas.
Un equipo de científicos de varias instituciones de la India y Corea del Sur ha dado un gran paso hacia este objetivo. El trabajo fue realizado por el Dr. Debasis Ghosh (investigador principal) y el Dr. Hyunyoung Jung, profesor asociado de ingeniería energética en la Universidad Nacional de Gyeongsang en Corea. En un estudio publicado en la revista Pequeño (“Un pseudocondensador flexible en el plano de 2,5 V con potencia y eficiencia cíclica sin precedentes para aplicaciones en todo tipo de clima”) presenta un pseudocondensador flexible e innovador que ofrece un rendimiento excepcional en un rango de temperatura sin precedentes de -40 °C a 60 °C. Rendimiento mantenido. Este dispositivo para todo clima abre nuevas posibilidades para el almacenamiento de energía en entornos extremos, desde el sector aeroespacial hasta la exploración de aguas profundas.
![Representación esquemática de la fabricación de electrodos interdigitales V5O12·6H2O @LSC](https://www.nanowerk.com/spotlight/id65029_1.jpg)
En el centro de esta innovación se encuentra un nuevo material de electrodo: óxido de vanadio (V5oh12·6H2O) galvanizado sobre grafeno cortado con láser. Los investigadores utilizaron una técnica de trazado láser rápida y escalable para convertir películas de poliimida en electrodos de grafeno conductores y porosos. Esta red 3D proporciona una superficie abundante y rutas de transporte de carga eficientes para la capa activa de óxido de vanadio. Fundamentalmente, la estructura porosa abierta permite el acceso sin obstáculos a los electrolitos y maximiza el transporte de iones incluso a temperaturas bajo cero.
El electrodo se complementa con un electrolito «híbrido de agua y sal» cuidadosamente diseñado. Los científicos combinaron una alta concentración de sal de perclorato de sodio (17 m de NaClO).4) con una mezcla de etilenglicol y agua. Esta formulación única cambia la ventana de estabilidad electroquímica a 2,6 V, acercándose a la de los electrolitos orgánicos. El etilenglicol actúa como anticongelante y garantiza que el electrolito permanezca líquido y conductivo hasta -40 °C. Las simulaciones de dinámica molecular mostraron cómo la estructura del electrolito híbrido y los enlaces de hidrógeno evolucionan con la temperatura, lo que ayuda a explicar su notable rendimiento a bajas temperaturas.
El pseudocondensador ensamblado demostró capacidades excepcionales de almacenamiento de energía. A temperatura ambiente y una densidad de corriente de 1 A/g, se logró una capacitancia de área de 234,7 mF/cm2correspondiente a una alta densidad de energía de 203,7 µWh/cm2. Sorprendentemente, el dispositivo mantuvo una capacitancia de 129,8 mF/cm2 a -40°C, una temperatura a la que fallan la mayoría de las baterías y supercondensadores. La capacitancia aumentó dramáticamente a temperaturas elevadas, alcanzando 116,2 mF/cm2 a 60°C. Las mediciones de espectroscopía de impedancia electroquímica confirmaron una rápida difusión de iones en todo el rango de temperatura.
«Nuestras pruebas de estabilidad a largo plazo han puesto de relieve aún más la robustez del pseudocondensador», subraya Ghosh. «Después de 80.950 ciclos de carga y descarga a temperatura ambiente, retuvo el 76% de su capacidad original, lo que indica una degradación mínima».
Agrega que el dispositivo demostró un rendimiento consistente y reproducible, particularmente durante cambios repetidos de temperatura entre -40°C, temperatura ambiente y 60°C. También demostró una excelente flexibilidad mecánica con una pérdida de capacidad insignificante bajo tensión de flexión.
Más allá de sus impresionantes métricas de rendimiento, este trabajo demuestra el poder del diseño racional de materiales y la colaboración multidisciplinaria. Al optimizar sinérgicamente la estructura del electrodo, la composición del electrolito y la arquitectura del dispositivo, el equipo logró un salto en las capacidades de los pseudocondensadores. Su enfoque holístico, basado en simulaciones por computadora, resalta la importancia de una comprensión fundamental al desarrollar soluciones de almacenamiento de energía de próxima generación.
Si bien persisten los desafíos para aumentar la producción y mejorar aún más la densidad de energía, este estudio proporciona una prueba de concepto convincente para los pseudocondensadores para todo clima. Prepara el escenario para una nueva ola de investigación sobre materiales de electrodos, formulaciones de electrolitos y diseños de dispositivos que pueden superar los límites del rendimiento del almacenamiento de energía. Con un progreso continuo, los pseudocondensadores flexibles pronto podrían convertirse en la fuente de energía versátil y duradera que nuestro mundo cada vez más electrificado y conectado necesita.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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