Así lo indica un estudio publicado en Science, llevado a cabo por científicos del CNRS (CIRIMAT/RS2E) y las Universidades de Cambridge y de Lancaster. Un paso importante hacia la electrificación del transporte urbano mediante supercondensadores.
Al igual que las baterías, los supercondensadores almacenan energía, pero pueden cargarse en segundos o minutos, mientras que las baterías requieren mucho más tiempo. Un autobús, tren o metro alimentado por supercondensadores podría recargarse completamente en el tiempo que tardan los pasajeros en bajar y subir, proporcionando suficiente energía para llegar a la siguiente parada.
Por lo tanto, no sería necesario instalar una infraestructura de recarga a lo largo de la línea. Los supercondensadores también son mucho más duraderos que las baterías y pueden soportar millones de ciclos de carga. Sin embargo, antes de generalizar el uso de estos sprinters de la energía, es necesario mejorar su capacidad de almacenamiento.
Para almacenar y liberar energía eléctrica, un supercondensador se basa en el movimiento de moléculas cargadas entre electrodos de carbono poroso, que tienen una estructura muy desordenada. Para imaginar la estructura de estos carbonos, se puede pensar en una hoja de grafeno, de estructura muy ordenada, que se arrugaría. Se obtiene entonces un desorden similar al de los materiales utilizados para los electrodos de los supercondensadores. Sin embargo, este desorden complica la identificación y optimización de los parámetros que rigen el rendimiento de los materiales. Durante mucho tiempo, el tamaño de los nanoporos, pequeños huecos, en los electrodos de carbono se percibió como el factor clave.
En una colaboración entre el Centro Interuniversitario de Investigación e Ingeniería de Materiales (CIRIMAT - CNRS/Toulouse INP/Universidad Toulouse III - Paul Sabatier) y las Universidades de Cambridge y Lancaster en Inglaterra, los científicos analizaron una amplia serie de electrodos de carbono nanoporoso disponibles comercialmente y encontraron que el efecto del tamaño de los poros, observado en algunos carbonos, no era generalizable. El equipo de Cambridge luego utilizó la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) para estudiar esta serie de electrodos.
La combinación de análisis por espectroscopía RMN y simulaciones computacionales permite caracterizar el desorden en los carbonos porosos de los supercondensadores y vincular este parámetro con el rendimiento de los materiales
© Céline Merlet
Estos análisis, interpretados gracias a trabajos de modelado realizados en el CIRIMAT, permitieron cuantificar el nivel de desorden de cada electrodo. Los resultados muestran que el carácter desordenado de los materiales -considerado durante mucho tiempo como un defecto- es en realidad beneficioso. El equipo planea continuar estas investigaciones para entender por qué el desorden, establecido en el momento de la síntesis de los electrodos de carbono, es tan importante para el almacenamiento de iones en los nanoporos.
Estos resultados, publicados en la revista Science, deberían ayudar a potenciar la capacidad de almacenamiento de los supercondensadores para generalizar su uso en el transporte urbano.
La investigación fue apoyada en parte por el Cambridge Trusts, el European Research Council (ERC) y el UK Research and Innovation (UKRI).
Redactor: AVR
Referencia:
Structural disorder determines capacitance in nanoporous carbons
Xinyu Liu, Dongxun Lyu, Céline Merlet, Matthew J. A. Leesmith Xiao Hua, Zhen Xu, Clare P. Grey & Alexander C. Forse.
Science 2024