Desarrollo y caracterización de supercondensadores estructurales basados en materiales compuestos multifuncionales de fibra de carbono

Abstract

La preocupación por el uso de la energía y la contaminación asociada con los combustibles fósiles ha incrementado la demanda de nuevas fuentes de energía y sistemas de almacenamiento más eficientes. Uno de los sectores más afectados es el del transporte, especialmente el transporte por carretera en grandes ciudades. Esto ha aumentado el interés en el empleo de vehículos eléctricos y la demanda de mejores prestaciones.

Entre las principales preocupaciones se encuentra la autonomía de los vehículos eléctricos, es decir, incrementar la distancia que pueden cubrir antes de la recarga de las baterías. Esto ha provocado un gran incremento en el desarrollo de sistemas de almacenamiento capaces de acumular una mayor cantidad de energía. Sin embargo, el peso de las propias baterías supone un gran obstáculo. Al incrementar la capacidad de almacenamiento también se incrementa el peso del propio vehículo, siendo necesario un mayor consumo de energía. El uso de materiales compuestos de matriz polimérica con refuerzo de fibra de carbono (CFRP) está muy extendido en el sector aeroespacial, gracias a la combinación de excelentes propiedades mecánicas y bajo peso, permitiendo aligerar las estructuras. Estos componentes también se pueden aplicar en el sector del automóvil, aunque su precio todavía lo limita.

El trabajo realizado en la presente tesis se centra en el desarrollo y caracterización de supercondensadores estructurales. Estos son materiales compuestos multifuncionales que pueden cubrir tanto las necesidades mecánicas como de almacenamiento de energía. Esta combinación de funcionalidades se basa, entre otros aspectos, en las propiedades de la fibra de carbono, la cual presenta una elevada resistencia mecánica y conductividad eléctrica, que permite su uso como electrodo en una celda electroquímica. De esta forma, parte de la responsabilidad de las baterías se puede desplazar a componentes de la propia estructura del vehículo, incrementando la cantidad de energía disponible sin aumentar el peso total. Entre los diferentes sistemas de almacenamiento, se han seleccionado los supercondensadores debido a que se basan en mecanismos más sencillos que facilitan su escalado a las dimensiones de un componente estructural.

Para mejorar la capacidad de almacenamiento de las fibras de carbono es necesario incrementar su área superficial. Se han investigado diferentes técnicas de modificación superficial analizando su efecto sobre el comportamiento electroquímico y mecánico.

En primer lugar, se ha estudiado el uso de nanopartículas de carbono debido a su elevada área específica y conductividad eléctrica. Entre las nanopartículas estudiadas destacan las nanoplaquetas de grafeno (GNP), con las que se puede incrementar la capacitancia de los electrodos hasta 1,2 F·g−1. Por otro lado, también destaca el comportamiento electroquímico del aerogel de carbono (CAG), gracias a un incremento del área superficial del electrodo hasta los 54 m2·g−1. Sin embargo, la síntesis de esta estructura provoca una caída del 32 % de la resistencia mecánica, limitando su uso en aplicaciones estructurales.

Otra alternativa estudiada fue la síntesis de estructuras metal-orgánicas (MOF) en la superficie de las fibras. Se alcanzaron recubrimientos completos de las superficies con estructuras como el ZIF-8 con áreas específicas superiores a los 2000 m2·g−1. La gran limitación de estas estructuras es su baja conductividad eléctrica. Para mejorar este aspecto, se ha estudiado la combinación de las estructuras con nanopartículas de carbono o la carbonización. Esta última opción es la que alcanza los valores más elevados de capacitancia, en concreto la estructura ZIF-L carbonizada puede alcanzar los 1,07 F·g−1.

En la fabricación de los supercondensadores estructurales se ha empleado un electrolito en estado sólido basado en la combinación de resinas epoxi con líquido iónico. Los supercondensadores simétricos preparados con los electrodos de fibra de carbono modificada han demostrado su capacidad de almacenamiento de energía durante la caracterización electroquímica. En todos los casos, la resistencia interna asociada con los recubrimientos y el electrolito sólido supone una gran limitación. Usando los electrodos con GNP depositado se puede alcanzar una capacitancia específica de 5,3 mF·g−1 mientras que, con la estructura ZIF-L carbonizada, el valor alcanzado es de 0,75 mF·g−1.

Durante la caracterización mecánica de los supercondensadores estructurales, se ha demostrado la influencia del electrolito sólido y los recubrimientos. La principal reducción de la respuesta mecánica está asociada a la pérdida de rigidez en la matriz debido al uso del electrolito sólido. Para alcanzar la movilidad iónica necesaria dentro del electrolito es necesario sacrificar parte de sus propiedades mecánicas. Aun así, los recubrimientos no afectan a las propiedades mecánicas de la fibra de carbono, por lo que se mantiene una respuesta mecánica suficiente para aplicaciones estructurales.

Finalmente, la funcionalidad de los supercondensadores estructurales se ha demostrado con una prueba de concepto. A partir de la energía almacenada en los supercondensadores estructurales se ha alimentado un LED, consiguiendo mantenerlo iluminado durante más de 1 h y alcanzando cortos tiempos de carga y descarga.