Los condensadores son principalmente dispositivos de almacenamiento de carga, pero en comparación con las baterías, tienen bastante menos capacidad para almacenar carga. Sin embargo, su vida útil es mucho mayor que la de las baterías, el principio básico para el funcionamiento de los condensadores es el mismo a pesar de que se dividen en diferentes categorías según su construcción interna. El condensador de grafeno es un tipo de supercondensador que cuenta con capas de grafeno que proporcionan un movimiento mucho más libre de los electrones y permiten la disipación del calor de forma efectiva.
Describir:
- ¿Qué son los supercondensadores?
- Trabajo de supercondensadores.
- Supercondensador de grafeno
- Electrodos a base de grafeno en supercondensadores
- Supercondensadores basados en grafeno Rendimiento
- Conclusión
¿Qué son los supercondensadores?
Para comprender el condensador de grafeno, es necesario tener conocimientos sobre los supercondensadores, ya que el condensador de grafeno también se incluye en la categoría de supercondensadores. A diferencia de los condensadores generales, los supercondensadores tienen una construcción interna diferente, lo que también afecta a sus propiedades. El supercondensador tiene electrolitos que están separados por un medio aislante y tiene electrodos de carbón activado que están en contacto con el electrolito. El electrolito es principalmente ácido sulfúrico u óxido de potasio y el separador suele ser Kapton:
Trabajo de supercondensadores
Cuando un supercondensador no está conectado a ninguna fuente de energía, las cargas, independientemente de su polaridad, se dispersan a través del electrolito, cuando la fuente de energía está conectada a través de él, la corriente comienza a fluir desde el capacitor y, a medida que el ánodo recibe la carga positiva, toda Los iones negativos del electrolito tienden a moverse hacia el electrodo del ánodo. Mientras que el cátodo se carga negativamente y todos los iones positivos se mueven hacia el cátodo:
Esta fuerza de atracción entre el electrodo y el electrolito es la fuerza electrostática y esta atracción de iones hacia los electrodos provoca la formación de la doble capa eléctrica. Esta capa es responsable de almacenar cargas y debido a la formación de esta capa, los supercondensadores también reciben el nombre de condensadores eléctricos de doble capa.
Así es como se carga el supercondensador y cuando se conecta cualquier carga a través de los terminales del supercondensador, la carga de los electrodos comienza a fluir desde la carga. De esta manera, ambos electrodos comienzan a perder carga porque no pueden atraer las cargas y, como resultado, cuando todas las cargas salen de los electrodos, el capacitor se descarga.
Ahora los iones están nuevamente dispersos por los electrolitos, y así es como funciona un supercondensador simple.
Supercondensador de grafeno
El grafeno proviene del grafito que se encuentra mayoritariamente en el interior de los lápices y es un electrodo de carbono que tiene el mismo número de átomos, pero estos están dispuestos de forma diferente. A diferencia del grafito, el grafeno tiene una capa bidimensional de un solo átomo dispuesta en forma de panal hexagonal. Esta estructura permite que los átomos creen fuertes enlaces covalentes, lo que le confiere una mayor resistencia a la tracción y una alta flexibilidad. Debido a estas propiedades, el grafeno permite que los electrones se muevan libremente y tenga una mayor conductividad eléctrica.
Dado que los supercondensadores tienen distancias más cortas entre las placas, lo que les permite almacenar más carga estática, el grafeno tiene una capa muy delgada del tamaño de un átomo en comparación con la capa de aluminio. Por tanto, el condensador de grafeno tiene una superficie sustancialmente mayor, lo que le permite almacenar más energía en comparación con otros supercondensadores.
Electrodos a base de grafeno en supercondensadores
El grafeno, como se mencionó anteriormente, proporciona una superficie más grande que mejora la capacidad del capacitor para almacenar carga. Para la fabricación de electrodos utilizando grafeno se utilizan diversas técnicas y dos de ellas son:
Fabricación con espuma de grafeno
El electrodo de grafeno creado con espuma de grafeno proporciona electrodos de mayor conductividad, livianos y flexibles cuyo área se puede extender hasta varios cm. 2 y la altura hasta varios milímetros. La espuma de grafeno se crea mediante la técnica de deposición química de vapor haciéndola crecer sobre una espuma de níquel o cobre. Cuando se crea una espuma de grafeno sobre espuma de cobre, se produce una capa de grafeno de alta calidad, pero la estructura puede colapsar fácilmente cuando se retira el soporte metálico. Sin embargo, se puede utilizar espuma de níquel para crear una capa de grafeno multicapa que se puede extraer con cuidado del soporte metálico sin causar ningún daño. Además, también se puede formar óxido de grafeno reducido a través de espuma de níquel utilizando esta síntesis química. Se utilizan algunos aditivos con el grafeno que ayudan a lograr una alta densidad de potencia y proporcionan caminos más cortos para los electrones y los iones, aumentando así la velocidad de las cargas. Estos aditivos pueden ser óxidos metálicos, polímeros conductores e hidróxidos metálicos, que hacen que la fabricación de electrodos a base de grafeno sea menos costosa.
La imagen de arriba ilustra el proceso de formación de la capa de grafeno utilizando el método de deposición química de vapor.
Fabricación por escritura láser
El método de escritura láser es comparativamente menos costoso y produce grafeno poroso 3D en un solo paso mediante la reducción de la técnica de reducción de área grande. En este método, primero se deposita una fina capa de grafeno sobre la plantilla y luego el láser comercial irradia la capa de óxido de grafeno. Cuando la luz láser incide sobre el óxido de grafeno, crea un material conductor poroso en el área de exposición.
Como resultado, la superficie de los iones electrolitos aumenta y el contenido de oxígeno se reduce considerablemente. Como en el método anterior, se pueden usar algunos aditivos en la escritura láser directa, es decir, el sustrato puede ser una mezcla de óxido de grafeno y polímero o el sustrato también puede ser solo polímero. Aquí hay una imagen que ilustra el proceso de escritura láser directa:
Supercondensadores basados en grafeno Rendimiento
Los condensadores de grafeno tienen una transferencia eficaz de electrones e iones, lo que da como resultado una alta capacidad gravimétrica y volumétrica. Además, exhiben una mayor estabilidad de la tasa de ciclo y una mayor capacidad energética.
Para estudiar el rendimiento y el comportamiento de varios dispositivos de almacenamiento de energía se utiliza un gráfico de Ragone en el que se representa el valor de la energía específica (Wh/Kg) frente a la potencia específica (W/Kg). El gráfico utiliza una escala logarítmica para ambos ejes. El eje y mide la energía específica, que es la cantidad de energía por unidad de masa. El eje x mide la densidad de potencia, que es la tasa de entrega de energía por unidad de masa.
En otras palabras, un punto en el gráfico de Ragone da la cantidad de tiempo durante el cual la energía (por unidad de masa) en el eje y se puede entregar en potencia (por unidad de masa) en el eje x, y ese tiempo ( en una hora) se da como la relación entre la energía y las densidades de potencia. Posteriormente, las isocurvas (tiempo de entrega constante) en un gráfico de Ragone son líneas rectas con pendiente unitaria. El siguiente gráfico de Ragone muestra la energía específica (Wh/Kg) versus la potencia específica (W/Kg) para varios dispositivos de almacenamiento de energía:
Conclusión
El condensador de grafeno es un tipo de supercondensador que tiene electrodos hechos de grafeno que proviene del grafito. El grafeno proporciona una gran superficie al electrolito, lo que da como resultado un aumento de la capacitancia y también tiene un tiempo de carga pequeño. Además, existen diversas técnicas para crear electrodos de grafeno, dos de ellas son: espuma de grafeno y escritura láser directa.