Materiales biomiméticos de base carbono para electrodos en sistemas de almacenamiento de energía

Abstract

En este trabajo se demuestra la posibilidad de inducir cristalinidad en materiales carbonosos obtenidos mediante pirólisis de precursores celulósicos naturales, utilizando un metal de transición como catalizador para producir grafitización in situ durante el proceso de pirólisis. En ausencia de catalizador se obtienen carbones duros o isotrópicos por este procedimiento.

Las maderas precursoras se han impregnado con disoluciones que contienen hierro o níquel previamente al proceso de pirólisis, obteniendo materiales monolíticos grafíticos que combinan las propiedades del carbón obtenido mediante pirólisis, como un gran volumen de poros, porosidad abierta e interconectada y elevadas áreas superficiales, con las propiedades del grafito, como un alto grado de cristalinidad y una elevada conductividad eléctrica.

El aumento en la cristalinidad y el orden estructural de los materiales obtenidos ha sido demostrado mediante microscopía electrónica, difracción de rayos X y espectroscopía Raman, e indirectamente mediante el incremento de la conductividad eléctrica. Curvas isotermas tipo IV características de materiales mesoporosos se han obtenido para carbones tratados, así como un incremento de hasta dos órdenes de magnitud en las áreas superficiales BET obtenidas respecto a carbones sin tratar.

Tras la caracterización exhaustiva de los materiales obtenidos, se ha evaluado su comportamiento como electrodos en sistemas de almacenamiento de energía, obteniendo en carbones tratados elevadas capacitancias en electrolitos acuosos, alcanzando valores en voltametría cíclica superiores a 100 F · g-1 y una excelente estabilidad cíclica de los electrodos sin reducción de la capacitancia inicial tras 1000 ciclos en voltametría. Estos valores se encuentran próximos a los que presentan los supercondensadores comerciales actualmente. El material presenta una estructura porosa monolítica en la que toda la masa es activa y no necesita aditivos para su empleo en dispositivos.

Además, estos esqueletos de carbón pueden ser empleados como andamio para depositar en ellos una fase secundaria que proporcione funcionalidad adicional. Se han depositado diferentes óxidos metálicos (SnO2, Nb2O5 y Fe3O4) sobre los carbones, tratados y sin tratar, mediante deposición química en fase vapor (CVD), obteniendo materiales híbridos en los que se ha conseguido mejorar el comportamiento electroquímico de los mismos.

El objetivo de la tesis es el desarrollo de un material de carbón poroso monolítico que presente alta cristalinidad, elevada área superficial y una buena conductividad eléctrica, para almacenar energía mediante un mecanismo de doble capa electrostática. Además, debido a la posibilidad de depositar una segunda fase sobre esta estructura porosa, se han obtenido materiales híbridos que pueden almacenar energía mediante dos principios de almacenamiento, electrostático y farádico, contribuyendo ambos a la capacitancia total del material.