Carbonos modificados por enlace covalente con compuestos orgánicos electroactivos como alternativa viable en el desarrollo de supercondensadores de altas densidades energéticas

Según algunas estimaciones el consumo mundial de energía es de unos 15 Teravatios cada año. Dado que la cantidad de energía solar aprovechable anual se ha estimado en 50 Teravatios, sistemas de almacenamiento electroquímico de energía como las baterías y los supercondensadores nos pueden permitir aprovechar mejor esta energía renovable, pero para ello se requiere desarrollar materiales novedosos con mayor densidad de energía. Una de las maneras mediante las cuales esto se puede conseguir es modificando electrodos carbonosos con compuestos orgánicos con actividad redox, lo que resulta en una tecnología de almacenamiento más simple, de menor coste y sobre todo limpia.

 Autora: [Suheda ISIKLI – IMDEA Energía]

 Los dos principales sistemas actuales de almacenamiento electroquímico de energía son las baterías y los supercondensadores. Las baterías almacenan la energía eléctrica en forma de reacciones químicas y acumulan mayores densidades de energía que los supercondensadores. Sin embargo, la carga y descarga de una batería causa cambios físicos en los electrodos que con el tiempo limitan la vida de la batería.  En los supercondensadores, la carga se almacena electroestáticamente, lo que no daña los electrodos durante la carga y descarga. Esto permite a los supercondensadores cargarse y descargarse millones de veces presentando a su vez una mayor densidad de potencia que las baterías.

 Los materiales de electrodo más usados en supercondensadores son carbonos porosos por sus excepcionalmente altas áreas superficiales, relativamente altas conductividades electrónicas, y bajo coste. La densidad de energía y potencias que son capaces de almacenar estos supercondensadores están muy relacionadas con las características físicoquímicas de los carbones.  Por ejemplo, un aumento de la superficie especifica junto a la contribución de grupos funcionales superficiales con contribuciones redox generalmente resultan en un aumento de la capacitancia. Aunque los supercondensadores actuales se comportan en muchos casos de manera adecuada hay un gran margen de mejora en, por ejemplo, la porosidad, la mojabilidad, y la adición de compuestos que transfieran electrones reversiblemente a la superficie de los electrodos carbonosos.

 Una aproximación prometedora para la mejora de las propiedades de almacenamiento energético y de la capacitancia específica de los actuales carbones es inmovilizar una capa fina de moléculas electroactivas que sean capaces de transferir electrones a la superficie del carbón. En este sentido, la formación de un enlace covalente entre la superficie del sustrato y la capa orgánica mediante reacciones electroquímicas ya se ha aplicado no sólo en carbones sino en metales, óxidos metálicos y polímeros, mediante el uso de diferentes precursores como aminas, alcoholes, carboxilatos, reactivos de Grignard, sales vinílicas y sales de diazonio.

De entre estos métodos, la electro-reducción de sales de diazonio1 destacó especialmente en la modificación de carbones, y estudios posteriores llevaron al desarrollo en el grupo de Richard Compton de un método químico para la reducción homogénea de sales de diazonio usando ácido hipofosforoso, lo que constituyó la primera metodología química sencilla para la derivatización de carbones (Fig. 1).2

 

 Figura 1. Modificación química de carbones en polvo.

Desde ese desarrollo inicial hasta la fecha este método se ha aplicado a diferentes electrodos carbonosos de aplicación en supercondensadores. Por ejemplo, Pickup et al. han presentado recientemente varios estudios con electrodos carbonosos modificados que resultan en supercondensadores de mejores densidades de energía y potencia. En ellos, el electrodo negativo es un carbón modificado con antraquinona y el electrodo positivo es carbono sin modificar3, óxido de rutenio4, y 1,2-dihidroxibenceno5. A su vez, Bélanger et al. han estudiado una serie de carbones en polvo activados de alta áreas superficiales modificados con diferentes cantidades de antraquinona que llegaban a doblar las capacitancias de los carbonos sin modificar6.

 Aunque estos estudios muestran la posibilidad de aumentar las densidades de energía y potencia mediante la modificación de electrodos, aún se requiere más investigación para llegar a la competitividad comercial de estos dispositivos. Por ejemplo, el bloqueo de microporos por adsorción indeseada durante la reacción de adición reduce drásticamente el área superficial disponible y por tanto la capacitancia electrostática de los carbones, así como la vida útil del dispositivo.

 Por tanto, la mejora de los métodos de adición de compuestos orgánicos electroactivos a carbones se presenta como una línea de investigación muy prometedora para el desarrollo de electrodos carbonosos con mayor actividad redox y mejor mojabilidad y ciclabilidad.

Referencias

     1.    Allongue, P.; Delamar, M.; Desbat, B.; Fagebaume, O.; Hitmi, R.; Pinson, J.; Savéant, J. M. Covalent Modification of Carbon Surfaces by Aryl Radicals Generated from the Electrochemical Reduction of Diazonium Salts. Journal of the American Chemical Society 1997, 119 (1), 201-207.

     2.    Pandurangappa, M.; Lawrence, N. S.; Compton, R. G. Homogeneous chemical derivatisation of carbon particles: a novel method for funtionalising carbon surfaces. Analyst 2002, 127 (12), 1568-1571.

     3.    Kalinathan, K.; DesRoches, D. P.; Liu, X.; Pickup, P. G. Anthraquinone modified carbon fabric supercapacitors with improved energy and power densities. Journal of Power Sources 2008, 181 (1), 182-185.

     4.    Algharaibeh, Z.; Liu, X.; Pickup, P. G. An asymmetric anthraquinone-modified carbon/ruthenium oxide supercapacitor. Journal of Power Sources 2009, 187 (2), 640-643.

     5.    Algharaibeh, Z.; Pickup, P. G. An asymmetric supercapacitor with anthraquinone and dihydroxybenzene modified carbon fabric electrodes. Electrochemistry Communications 2011, 13 (2), 147-149.

     6.    Pognon, G.; Brousse, T.; Demarconnay, L.; Bélanger, D. Performance and stability of electrochemical capacitor based on anthraquinone modified activated carbon. Journal of Power Sources 2011, 196 (8), 4117-4122.

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