Nuevo Concepto de Electrolitos tipo Redox para Supercondensadores
[Autora: Paula Navalpotro-Instituto IMDEA Energía]
El sistema energético actual es insostenible a medio plazo debido a su gran dependencia de combustibles fósiles. Dentro de las posibles soluciones se encuentra el desarrollo sostenible de las energías renovables y la electrificación del transporte mediante vehículos híbridos y/o eléctricos. El almacenamiento eficiente de la energía se presenta como un aspecto fundamental en ambos casos. Los acumuladores de energía permiten almacenar energía en alguna de sus formas, para poder ser utilizada posteriormente. De esta manera se consigue desacoplar la generación de energía de la demanda de la misma. Estos dispositivos permiten almacenar los excedentes de energía producida desde algún dispositivo generador y liberarla en el momento que esta sea necesaria. El almacenamiento energético a día de hoy, abarca diversas tecnologías como el almacenamiento electroquímico, el almacenamiento magnético superconductor (SMES), almacenadores cinéticos de energía (volantes de inercia), almacenamiento por aire comprimido (CAES), centrales de bombeo, etc. Existen diversos sistemas de almacenamiento electroquímico de la energía que están siendo intensamente investigados por la comunidad científica-tecnológica, entre ellos los supercondensadores. Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento electroquímico de la energía que se caracterizan por tener una gran velocidad de liberación de la misma, es decir, una gran potencia específica. Sin embargo, su principal desventaja frente a las baterías es que la cantidad de energía acumulada es mucho menor. Por ello, uno de los retos principales es aumentar esa densidad energética (E=0.5CV2) manteniendo altos valores de potencia[1].
Un supercondensador consta de dos electrodos, normalmente fabricados con materiales carbonosos, entre los que se sitúa un separador empapado con el electrolito. En la Unidad de Procesos Electroquímicos de IMDEA Energía se están llevando a cabo diferentes estrategias para mejorar las prestaciones de estos dispositivos. Una de ellas es el uso de líquidos iónicos (LIs) como electrolitos. Los LIs tienen propiedades que los hacen muy interesantes como electrolitos como son una volatilidad despreciable, una alta concentración de iones, una alta conductividad iónica y una ventana de estabilidad electroquímica mucho mayor que los electrolitos acuosos y orgánicos. Esta alta estabilidad electroquímica permite que puedan trabajar a voltajes cercanos a 3,5V con el consecuente aumento de la energía acumulada. Además del voltaje de trabajo hay otro parámetro importante a tener en cuenta para el incremento de energía total, este parámetro es la capacitancia. La capacitancia es una variable que hasta ahora siempre se había relacionado con las propiedades intrínsecas del material activo del que están hechos los electrodos. No obstante, en los últimos años se está investigando una nueva vía para incrementar la capacitancia del supercondensador realizando cambios únicamente en el electrolito. Esta nueva estrategia se basa en disolver en el electrolito moléculas con actividad redox. Las reacciones redox que sufren estas moléculas dotan al sistema de una contribución faradaica, también llamada pseudocapacitancia. Así, el sistema consta de dos mecanismos que contribuyen al aumento de su capacitancia y consecuentemente de la energía, que son, el mecanismo electrostático de la doble capa formada en la interfase del electrodo-electrolito que tiene lugar en todos los tipos de supercondensadores y el proceso faradaico de las reacciones de oxidación-reducción que sufren las moléculas disueltas. En este sentido ya han sido publicados resultados de sistemas basados en pares redox de iodo[2], bromo[3], vanadio[4], e incluso pares redox orgánicos[5] que muestran un aumento significativo de la capacitancia (Figura 1). El interés por este tipo de electrolitos está creciendo ya que parecen una opción prometedora para el desarrollo de supercondensadores de altas prestaciones. En IMDEA Energía se está llevando a cabo la investigación de diversos tipos de pares redox disueltos en electrolitos de ancha ventana de estabilidad electroquímica. Se trata de desarrollar electrolitos que proporcionen un aumento de capacitancia junto con un aumento del voltaje de operación, dando lugar a supercondensadores con mejores prestaciones.
Figura 1. (A) Valores de capacitancia del electrodo de carbón en diferentes disoluciones alcalinas metal-iodo, obtenidas a partir de voltametría cíclica. (B) Perfil de carga y descarga para un supercondensador con una disolución acuosa de RbI como electrolito, en una celda de dos y tres electrodos[2].
Referencias
[1] A. Burke, “Ultracapacitors : why , how , and where is the technology,” J. Power Sources, vol. 91, pp. 37–50, 2000.
[2] G. Lota, K. Fic, and E. Frackowiak, “Alkali metal iodide/carbon interface as a source of pseudocapacitance,” Electrochem. commun., vol. 13, no. 1, pp. 38–41, 2011.
[3] S. Yamazaki, T. Ito, M. Yamagata, and M. Ishikawa, “Non-aqueous electrochemical capacitor utilizing electrolytic redox reactions of bromide species in ionic liquid,” Electrochim. Acta, vol. 86, pp. 294–297, 2012.
[4] K. Fic, E. Frackowiak, and F. Béguin, “Unusual energy enhancement in carbon-based electrochemical capacitors,” J. Mater. Chem., vol. 22, no. 46, p. 24213, 2012.
[5] S. Roldán, C. Blanco, M. Granda, R. Menéndez, and R. Santamaría, “Towards a further generation of high-energy carbon-based capacitors by using redox-active electrolytes.,” Angew. Chem. Int. Ed. Engl., vol. 50, no. 7, pp. 1699–701, 2011.
