Un equipo que trabaja con Roland Fischer, profesor de química inorgánica y metal-orgánica en la Universidad Técnica de Múnich TUM ha desarrollado un supercondensador altamente eficiente. La base del dispositivo de almacenamiento de energía es un material híbrido de grafeno novedoso, potente y también sostenibleque tiene datos de rendimiento comparables a las baterías utilizadas actualmente.
Por lo general, el almacenamiento de energía está asociado con baterías y acumuladores que proporcionan energía para dispositivos electrónicos. Sin embargo, en computadoras portátiles, cámaras, teléfonos celulares o vehículos, los llamados supercondensadores se instalan cada vez más en estos días.
A diferencia de las baterías, pueden almacenar rápidamente grandes cantidades de energía y apagarla con la misma rapidez. Si, por ejemplo, un tren frena al entrar en la estación, los supercondensadores almacenan la energía y la proporcionan de nuevo cuando el tren necesita mucha energía.muy rápidamente mientras se inicia.
Sin embargo, un problema con los supercondensadores hasta la fecha fue su falta de densidad de energía. Mientras que los acumuladores de litio alcanzan una densidad de energía de hasta 265 kilovatios hora KW / h, los supercondensadores hasta ahora solo han estado entregando una décima parte.
El material sostenible proporciona un alto rendimiento
El equipo que trabaja con el químico de TUM Roland Fischer ha desarrollado un material híbrido de grafeno novedoso, potente y sostenible para supercondensadores. Sirve como electrodo positivo en el dispositivo de almacenamiento de energía. Los investigadores lo están combinando con un electrodo negativo probado basado ensobre titanio y carbono.
El nuevo dispositivo de almacenamiento de energía no solo alcanza una densidad de energía de hasta 73 Wh / kg, que es aproximadamente equivalente a la densidad de energía de una batería de hidruro metálico de níquel, sino que también funciona mucho mejor que la mayoría de los otros supercondensadores con una densidad de potenciade 16 kW / kg. El secreto del nuevo supercondensador es la combinación de diferentes materiales; por lo tanto, los químicos se refieren al supercondensador como "asimétrico".
Materiales híbridos: la naturaleza es el modelo a seguir
Los investigadores están apostando por una nueva estrategia para superar los límites de rendimiento de los materiales estándar; utilizan materiales híbridos. "La naturaleza está llena de materiales híbridos altamente complejos y evolutivamente optimizados; los huesos y los dientes son ejemplos. Sus propiedades mecánicas, comoya que la dureza y la elasticidad se optimizaron mediante la combinación de varios materiales por naturaleza ", dice Roland Fischer.
La idea abstracta de combinar materiales básicos fue transferida a supercondensadores por el equipo de investigación. Como base, utilizaron el novedoso electrodo positivo de la unidad de almacenamiento con grafeno químicamente modificado y lo combinaron con un marco organometálico nanoestructurado, un-llamado MOF.
potente y estable
Lo decisivo para el rendimiento de los híbridos de grafeno son, por un lado, una gran superficie específica y tamaños de poro controlables y, por otro lado, una alta conductividad eléctrica. "Las capacidades de alto rendimiento del material se basan en la combinación de los MOF microporosos conel ácido de grafeno conductor ", explica el primer autor Jayaramulu Kolleboyina, un ex científico invitado que trabaja con Roland Fischer.
Una superficie grande es importante para buenos supercondensadores. Permite la recolección de una gran cantidad de portadores de carga dentro del material, este es el principio básico para el almacenamiento de energía eléctrica.
A través de un hábil diseño de material, los investigadores lograron la hazaña de vincular el ácido de grafeno con los MOF. Los MOF híbridos resultantes tienen una superficie interna muy grande de hasta 900 metros cuadrados por gramo y tienen un alto rendimiento como electrodos positivos en un supercondensador.
larga estabilidad
Sin embargo, esa no es la única ventaja del nuevo material. Para lograr un híbrido químicamente estable, se necesitan enlaces químicos fuertes entre los componentes. Los enlaces son aparentemente los mismos que los que existen entre los aminoácidos en las proteínas, según Fischer: "De hecho, hemos conectado el ácido grafeno con un aminoácido MOF, que crea un tipo de enlace peptídico ".
La conexión estable entre los componentes nanoestructurados tiene enormes ventajas en términos de estabilidad a largo plazo: cuanto más estables son los enlaces, más ciclos de carga y descarga son posibles sin un deterioro significativo del rendimiento.
A modo de comparación: un acumulador de litio clásico tiene una vida útil de alrededor de 5.000 ciclos. La nueva celda desarrollada por los investigadores de TUM conserva cerca del 90 por ciento de su capacidad incluso después de 10.000 ciclos.
Red internacional de expertos
Fischer enfatiza lo importante que fue la cooperación internacional sin restricciones que los investigadores controlaron ellos mismos cuando se trataba del desarrollo del nuevo supercondensador. En consecuencia, Jayaramulu Kolleboyina creó el equipo. Fue un científico invitado de la India invitado por la Fundación Alexander von Humboldt y quienahora es el jefe del departamento de química del recién establecido Instituto Indio de Tecnología en Jammu.
"Nuestro equipo también se conectó con expertos en investigación de baterías y electroquímica en Barcelona, así como con expertos en derivados del grafeno de la República Checa", informa Fischer. "Además, hemos integrado socios de EE. UU. Y Australia.-La operación promete mucho para el futuro. "
La investigación fue apoyada por Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG dentro del clúster de excelencia en conversión electrónica, la Fundación Alexander von Humboldt, el Instituto Indio de Tecnología Jammu, la Universidad Tecnológica de Queensland y el Consejo Australiano de Investigación ARC.la financiación provino del Fondo Europeo de Desarrollo Regional proporcionado por el Ministerio de Educación, Juventud y Deportes de la República Checa.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Técnica de Munich TUM . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :