Los supercondensadores son un tipo de dispositivo con un nombre apropiado que puede almacenar y entregar energía más rápido que las baterías convencionales. Tienen una gran demanda para aplicaciones que incluyen automóviles eléctricos, telecomunicaciones inalámbricas y láseres de alta potencia.

Pero para realizar estas aplicaciones, los supercondensadores necesitan mejores electrodos, que conecten el supercondensador a los dispositivos que dependen de su energía. Estos electrodos deben ser más rápidos y económicos de fabricar a gran escala y también deben poder cargar y descargar su carga eléctrica más rápidamente. Un equipo de ingenieros de la Universidad de Washington cree haber ideado un proceso para fabricar materiales de electrodos de supercondensadores que satisfarán estas estrictas demandas industriales y de uso.

Los investigadores, dirigidos por el profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Washington, Peter Pauzauskie, publicaron un artículo el 17 de julio en la revista Nature Microsystems and Nanoengineering que describe su electrodo de supercondensador y la forma rápida y económica en que lo fabricaron. Su novedoso método comienza con materiales ricos en carbono que se han secado en una matriz de baja densidad llamada aerogel. Este aerogel por sí solo puede actuar como un electrodo tosco, pero el equipo de Pauzauskie duplicó con creces su capacitancia, que es su capacidad para almacenar carga eléctrica.

Estos materiales de partida económicos, junto con un proceso de síntesis simplificado, minimizan dos barreras comunes para la aplicación industrial: el costo y la velocidad.

"En aplicaciones industriales, el tiempo es oro", afirmó Pauzauskie. “Podemos fabricar los materiales de partida para estos electrodos en horas, en lugar de semanas. Y eso puede reducir significativamente el costo de síntesis para fabricar electrodos de supercondensadores de alto rendimiento”.

Los electrodos de supercondensadores eficaces se sintetizan a partir de materiales ricos en carbono que también tienen una gran superficie. Este último requisito es fundamental debido a la forma única en que los supercondensadores almacenan carga eléctrica. Mientras que una batería convencional almacena cargas eléctricas a través de las reacciones químicas que ocurren en su interior, un supercondensador almacena y separa cargas positivas y negativas directamente en su superficie.

"Los supercondensadores pueden actuar mucho más rápido que las baterías porque no están limitados por la velocidad de la reacción o los subproductos que pueden formarse", dijo el coautor principal Matthew Lim, estudiante de doctorado de la Universidad de Washington en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. "Los supercondensadores pueden cargarse y descargarse muy rápidamente, razón por la cual son excelentes para entregar estos 'pulsos' de energía".

"Tienen excelentes aplicaciones en entornos donde una batería por sí sola es demasiado lenta", dijo el autor principal Matthew Crane, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Washington. "En momentos en que una batería es demasiado lenta para satisfacer las demandas de energía, un supercondensador con un electrodo de alta superficie podría 'activarse' rápidamente y compensar el déficit de energía".

Para obtener una superficie elevada para un electrodo eficiente, el equipo utilizó aerogeles. Se trata de sustancias húmedas, parecidas a geles, que han pasado por un tratamiento especial de secado y calentamiento para reemplazar sus componentes líquidos con aire u otro gas. Estos métodos preservan la estructura tridimensional del gel, dándole una gran superficie y una densidad extremadamente baja. Es como quitar toda el agua de la gelatina sin que se encoja.

"Un gramo de aerogel contiene aproximadamente tanta superficie como un campo de fútbol", dijo Pauzauskie.

Crane fabricó aerogeles a partir de un polímero similar a un gel, un material con unidades estructurales repetidas, creado a partir de formaldehído y otras moléculas a base de carbono. Esto aseguró que su dispositivo, al igual que los electrodos de supercondensador actuales, estuviera compuesto de materiales ricos en carbono.

Anteriormente, Lim demostró que agregar grafeno, que es una lámina de carbono de solo un átomo de espesor, al gel imbuía al aerogel resultante de propiedades de supercondensador. Pero Lim y Crane necesitaban mejorar el rendimiento del aerogel y hacer que el proceso de síntesis fuera más barato y sencillo.

En experimentos anteriores de Lim, la adición de grafeno no había mejorado la capacitancia del aerogel. Así que cargaron los aerogeles con láminas delgadas de disulfuro de molibdeno o disulfuro de tungsteno. Ambos productos químicos se utilizan ampliamente hoy en día en lubricantes industriales.

Los investigadores trataron ambos materiales con ondas sonoras de alta frecuencia para dividirlos en láminas delgadas y las incorporaron a la matriz de gel rica en carbono. Podrían sintetizar un gel húmedo completamente cargado en menos de dos horas, mientras que otros métodos tardarían muchos días.

Después de obtener el aerogel seco de baja densidad, lo combinaron con adhesivos y otro material rico en carbono para crear una "masa" industrial, que Lim podía simplemente extender en láminas de apenas unas milésimas de pulgada de espesor. Cortaron discos de media pulgada de la masa y los ensamblaron en carcasas de baterías de tipo botón simples para probar la efectividad del material como electrodo supercondensador.

Sus electrodos no sólo eran rápidos, simples y fáciles de sintetizar, sino que también tenían una capacitancia al menos 127 por ciento mayor que la del aerogel rico en carbono por sí solo.

Lim y Crane esperan que los aerogeles cargados con láminas aún más delgadas de disulfuro de molibdeno o disulfuro de tungsteno (las suyas tenían entre 10 y 100 átomos de espesor) mostrarían un rendimiento aún mejor. Pero primero querían demostrar que los aerogeles cargados serían más rápidos y más baratos de sintetizar, un paso necesario para la producción industrial. El ajuste fino viene después.

El equipo cree que estos esfuerzos pueden ayudar a hacer avanzar la ciencia incluso fuera del ámbito de los electrodos de supercondensadores. Su disulfuro de molibdeno suspendido en aerogel podría permanecer lo suficientemente estable como para catalizar la producción de hidrógeno. Y su método para atrapar materiales rápidamente en aerogeles podría aplicarse a baterías de alta capacitancia o catálisis.