Recubrimientos de óxidos de metales de transición obtenidos a partir de precursores MOF para el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía multifuncionales

Abstract

Debido a la necesidad de reducir los elevados niveles de contaminación en las grandes ciudades y la creciente preocupación por reducir el uso de combustibles fósiles, la sustitución de los vehículos de combustión tradicionales por sus homólogos eléctricos se ha convertido en una necesidad para la sociedad actual. Sin embargo, para que esta sustitución pueda convertirse en una realidad, el vehículo eléctrico debe mejorar aún sus prestaciones, especialmente en términos de autonomía. Es en este punto donde los materiales multifuncionales, con capacidad de almacenar energía a la vez que ejercen una función estructural, cobran importancia, ya que la implementación de dichos materiales en el desarrollo del vehículo eléctrico permitiría reducir la masa total del mismo y con ello el consumo, permitiendo una mayor autonomía. La fibra de carbono es un excelente candidato como sustrato de los electrodos en este tipo de materiales debido a su elevada conductividad eléctrica, excelentes propiedades mecánicas y la posibilidad de actuar como refuerzo en materiales compuestos en los que la matriz polimérica actúe a su vez como electrolito. A su vez, por estos mismos motivos, es también un prometedor sustrato para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía flexibles con potenciales aplicaciones biomédicas o para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos inteligentes. Sin embargo, la capacidad de almacenar energía de la fibra de carbono es limitada. Por ello, y con el propósito de incrementar dicha capacidad de almacenamiento de energía, el objetivo de la presente tesis doctoral ha sido desarrollar recubrimientos nanoestructurados de óxidos de metales de transición (TMO) derivados de marcos metalogánicos (MOF) precursores sobre fibra de carbono, para su empleo tanto como electrodo en supercondensadores como ánodo en baterías de ion litio. Así, durante este trabajo se han empleado dos recubrimientos de MOF precursores diferentes, uno ya reportado previamente en literatura para tales fines, el Co-ZIF L; y otro cuya aplicación es totalmente original de esta tesis, el Fe-MIL-100. Para ello, tanto el tratamiento térmico para la obtención de los correspondientes TMO, como la composición, mediante el dopado con otros cationes metálicos, han sido ajustados para ambos sistemas, con objeto de mejorar su rendimiento electroquímico para las aplicaciones ya mencionadas. Como ánodo para baterías de ion litio, a una densidad de corriente de 25 mA/g, la fibra de carbono funcionalizada con el TMO derivado del ZIF-L demostró una capacidad específica de 410,5 mAh/g, mientras que la funcionalizada con MIL-100 exhibió 383 mAh/g, lo que supone un incremento respecto a la fibra de carbono no funcionalizada del 74 % y el 62,5 %, respectivamente. Sin embargo, pese a la mayor capacidad específica del primer sistema a bajas densidades de corriente, el segundo sistema mostró una mayor retención de la capacidad a densidades de corriente elevadas y una ciclabilidad superior. Como electrodo para supercondensadores, debido al mecanismo de pseudocapacitancia propio de los TMO, y la elevada área superficial conferida por la estructura de los MOF precursores, ambos recubrimientos incrementaron de forma trascendental el rendimiento electroquímico ofrecido por la fibra de carbono. Además, la compatibilidad de ambos en términos de ventana de potencial permitió su uso sinérgico para el desarrollo de supercondensadores asimétricos estructurales y flexibles.