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La fabricación de tecnologías avanzadas de almacenamiento de energía electrolítica requiere el diseño escalable y respetuoso con el medio ambiente de materiales de electrodos con densidades de potencia y energía significativas. Estos materiales deben tener una excelente conductividad eléctrica, una gran estabilidad química y una gran superficie por unidad de volumen.
Estudio: Los supercondensadores sólidos flexibles fabricados con novedosos electrodos nanoestructurados superan a la mayoría de los supercondensadores. Autor de la foto: cho, s. y otros.(2022), ACS Omega
Un estudio publicado recientemente en la revista ACS Omega informa sobre el desarrollo de un método novedoso para fabricar electrodos de supercondensador delgados y conformables utilizando MXene y poli (3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT) como material bidimensional y polímero conductor, respectivamente.
Supercondensadores: ¿Por qué son importantes?
El avance actual de productos electrónicos inteligentes y adaptables requiere la creación de tecnología de almacenamiento de energía de alto rendimiento y estado sólido.
Las baterías se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones industriales como sistemas tradicionales de almacenamiento de energía. Sin embargo, debido a su sistema de almacenamiento de energía controlado por difusión, tienen ciclos lentos de carga y descarga. Las baterías también tienen poca capacidad energética y un ciclo de vida corto debido a la cinética de reacción lenta.
Los supercondensadores tienen ventajas notables sobre las baterías recargables típicas, como B. una vida útil prolongada, mayor densidad de potencia, mayor confiabilidad, carga y descarga más rápidas y menos contaminación.
Los supercondensadores se clasifican como condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) o pseudocondensadores debido a su tecnología de almacenamiento de carga. Los EDLC almacenan cargas al atrapar electrostáticamente iones electrolíticos en la interfaz de las sustancias del electrodo sin transferencia de carga, mientras que los pseudocondensadores operan en la interfaz a través de un proceso redox rápido y reversible.
Limitaciones de los materiales de electrodos utilizados actualmente para supercondensadores
Los supercondensadores de estado sólido ajustables (SSC) para dispositivos electrónicos portátiles se fabrican típicamente atrapando un electrolito de gel entre dos electrodos porosos. La producción escalable de materiales de electrodos con alta potencia y densidad de energía es crucial para el desarrollo de supercondensadores con aplicaciones potenciales en las industrias automotriz y de generación de energía.
Los materiales de los electrodos para los supercondensadores deben tener una excelente conductividad eléctrica, una fuerte estabilidad química y térmica y una gran superficie por unidad de volumen. Los investigadores han realizado importantes esfuerzos para desarrollar nanopartículas bidimensionales (2D) como sustancias de electrodos de alto rendimiento. Sin embargo, el problema de volver a apilar durante la fase de preparación interrumpe la transferencia de carga y reduce el número de sitios funcionales.
Muchos nanomateriales que se han estudiado como materiales de electrodos para mejorar el espaciado entre capas de materiales bidimensionales (2D) en supercondensadores tienen limitaciones inherentes para la fabricación a gran escala y sin interrupciones debido a sus costosos y complicados procesos de fabricación.
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Proceso de fabricación y morfología: (a) Representación esquemática del proceso de fabricación de electrodos compuestos en capas PEDOT/MXene. Morfología de los electrodos PEDOT y PEDOT/MXene: imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la superficie de (b) PEDOT-30, (C) PEDOT-60 y (d) PEDOT-60/MX. (mi) Imagen de sección transversal de PEDOT-90/MX. (Consulte la Figura S1 para imágenes SEM y TEM de MXene solamente y la imagen SEM de PEDOT90 y la Figura S2 para la identificación de la estructura MXene).
MXene: un nuevo material de electrodo para supercondensadores
MXene, una sustancia bidimensional (2D) revolucionaria, ha intrigado a científicos e ingenieros que trabajan en áreas como sistemas de almacenamiento de energía, supercondensadores y baterías adaptables.
El uso de MXene puro y sus compuestos en varias clases de supercondensadores está aumentando drásticamente debido a sus excepcionales capacidades mecánicas, físicas, fotónicas, electromagnéticas y electrolíticas.
El ensamblaje de materiales híbridos MXene da como resultado una combinación de propiedades funcionales que no se pueden producir solo con MXene. Al mezclar componentes electroactivos como compuestos metálicos y polímeros conductores (CP) con MXene, se pueden fabricar varios tipos de compuestos basados en MXene.
Esto crea un efecto sinérgico donde MXene ofrece una conductividad eléctrica excepcional, expande el área de superficie accesible y estabiliza la estructura interna del material. Además, estos materiales actúan como espaciadores y aumentan el espacio entre capas, lo que impide que se vuelvan a apilar las nanoláminas MXene.
Aspectos destacados y desarrollos clave del estudio actual
En este estudio, se fabricaron supercondensadores de estado sólido (SSC) mediante reticulación electroquímica de PEDOT y luego electropulverización de MX en la película de PEDOT. Las propiedades fractales del PEDOT electropolimerizado y las escamas de MXene compactadas se combinaron para crear una estructura accesible altamente porosa.
Esta forma porosa permitió que el electrolito del gel se llenara sin formación de vacíos, lo que resultó en una gran área de superficie reactiva electrocatalíticamente y vías de transporte de iones eficientes para aumentar la actividad electrocatalítica.
PEDOT mostró una conductividad significativa debido al contacto total con el electrolito de gel a pesar de la ausencia de sulfonato de poliestireno (PSS) como activador, que penetró profundamente en la superficie porosa de PEDOT para proporcionar una alta conductividad.
Al agregar sal al electrolito de gel, la capacidad electrolítica del dispositivo se ha incrementado aún más. La cantidad correcta de sal aumentó significativamente la conductividad iónica del electrolito, lo que resultó en una capacidad notablemente alta.
Estos resultados demuestran que el dispositivo así fabricado supera a la mayoría de los supercondensadores electrolíticos acuosos. Además, la técnica de fabricación de electrodos compuestos PEDOT/MXene es sencilla, asequible y fácilmente adaptable a la fabricación práctica a gran escala de supercondensadores flexibles de estado sólido.
Relación
cho, s. y otros. (2022). Los supercondensadores sólidos flexibles fabricados con novedosos electrodos nanoestructurados superan a la mayoría de los supercondensadores. ACS Omega. Disponible en: https://doi.org/10.1021/acsomega.2c04822
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