Estudio y desarrollo de supercondensadores estructurales basados en fibra de carbono

Abstract

La emisión de gases de efecto invernadero está favoreciendo el cambio climático, lo que entraña riesgos cada vez más graves para los ecosistemas, la salud humana y la economía. El transporte es el principal responsable de estas emisiones, por ello, ya se ha iniciado la transición hacia una movilidad de bajas emisiones a nivel mundial favorecido por las últimas normativas europeas. Ante esta necesidad, una de las soluciones propuestas es el empleo de supercondensadores multifuncionales para su uso en los vehículos eléctricos, que cumplirían las funciones estructurales (mecánicas y de reducción de peso) y de almacenamiento de energía. En el presente proyecto, se estudian y se desarrollan laminados de materiales compuestos para supercondensadores multifuncionales. Se han fabricado cuatro laminados a partir de refuerzos de tejidos de fibra de carbono (FC) modificados con nanoplaquetas de grafeno funcionalizado (GNP) o sin modificar, y tejidos de fibra de vidrio (FV) embebidos en una matriz aislante o electrolítica. Así, se disponen dos capas externas de FC (modificada con GNP o sin modificar) que actúan como electrodos, dos capas intercaladas de FV que cumplen la función de separador, y todo ello está embebido en una matriz (aislante o electrolítica) que actúa como electrolito. De esta forma, los cuatro laminados se han caracterizado y comparado desde un punto de vista mecánico, electroquímico y microestructural, además de probar su funcionamiento para almacenamiento de energía encendiendo un diodo LED. Para completar las fabricaciones de los cuatro laminados se ha elaborado un plan de organización según la metodología Lean-Manufacturing, donde se realizan dos fabricaciones mediante moldeo por infusión de resina asistida por vacío (VARIM). En ambas fabricaciones se disponen los dos tipos de refuerzo, pero en la primera se infiltra la resina aislante, y en la segunda, la resina electrolítica. De este modo, el tiempo total de cada fabricación es de 10 h y 40 min (640 min), donde la persona que realiza la mano de obra tiene que intervenir un total de 160 min. Además, el coste total de la fabricación de los dos laminados de materiales compuestos con matriz aislante asciende a 30,06 € y el de los dos laminados con matriz electrolítica asciende a 93,97 €, por tanto, el coste total de ambas fabricaciones asciende a 124,03 €. El laminado de material compuesto óptimo para su funcionamiento como supercondensador multifucional es el formado por dos tejidos de FC modificados con GNP (electrodos) y dos tejidos de FV (separador) embebidos en la matriz electrolítica. Los valores de resistencia a tracción y módulo de elasticidad son 225 ± 26 MPa y 15,2 ± 0,3 GPa, respectivamente; y los valores de capacidad y capacidad específica son 165,4 ± 8,5 mF y 19,2 ± 0,9 mF/g. Al realizar las pruebas de funcionamiento, este laminado ha generado de 2,6 V a 1,7 V durante 1 h, logrando encender el LED con una gran luminosidad.