Desarrollo y caracterización de electrolitos sólidos poliméricos para supercondensadores multifuncionales

Abstract

El transporte urbano es el principal responsable de la emisión de gases de efecto invernadero en las ciudades y, por ello, las administraciones públicas apuestan por el concepto de smart mobility, que es una forma revolucionaria de transporte más limpia, segura y eficiente. En este escenario, uno de los principales objetivos es la electrificación de los vehículos, donde se propone el empleo de supercondensadores multifuncionales basados en materiales compuestos que cumplirían las funciones estructurales (mecánicas y de reducción de peso) y de almacenamiento de energía. El desafío más complejo de estos dispositivos y objeto de la presente investigación es diseñar un electrolito sólido polimérico (SPE) que permita altas propiedades mecánicas, temperatura de transición vítrea y conductividad iónica. Los SPE se desarrollan a partir de las resinas epoxi base Araldite LY 556/XB 3473 (L) y poli(etilenglicol) diglicidil éter con el endurecedor 4,4′-diamino-difenilsulfona (P), el líquido iónico 1-etil-3-metilimidazolis bis(trifluorometil sulfonil) imida (ILE) y nanopartículas de TiO2 o Al2O3. En este trabajo se estudia el efecto de las nanopartículas en la conductividad iónica y propiedades termomecánicas en base al grado de su dispersión y su estabilidad en la mezcla, donde interviene de manera determinante la viscosidad y las cargas electroestáticas de la muestra. Con la finalidad de peritar la multifuncionalidad de los SPE, se desarrolla una expresión matemática que muestra el índice de multifuncionalidad (M) considerando la función estructural (módulo elástico y temperatura de transición vítrea) y electroquímica (conductividad iónica). En base a este índice, las nanopartículas de Al2O3 garantizan mayor multifuncionalidad en los electrolitos basados en L80P20(ILE), L73P27(ILE), L65P35(ILE) y L58P42(ILE), mientras que las nanopartículas de TiO2 suponen valores más altos de multifuncionalidad en electrolitos L50P50(ILE), siempre con un 2 o 4 % en peso ya que mayores concentraciones evidencian un descenso en las propiedades. Los SPE más destacables son L80P20(ILE)Al2, L73P27(ILE)Al2 y L65P35(ILE)Al2, que representan un buen ejemplo de cómo se puede ajustar y optimizar un SPE dependiendo de si se prioriza la conductividad o las propiedades mecánicas. Además, el SPE óptimo es el L65P35(ILE)Al2 ya que tiene una temperatura de transición vítrea de 83,3 ± 1,4 ºC, un módulo elástico de 1212 ± 164 MPa y una energía de activación de 14,7 kJ/mol, siguiendo un modelo de transporte iónico tipo Arrhenius. Este SPE mejora las propiedades y la multifuncionalidad descrita en el estado del arte, por lo que se considera óptimo para su aplicación en supercondensadores multifuncionales en vehículos que integran la smart mobility.