Development of lithium and sodium ion capacitors with high energy-to-power ratios

Zusammenfassung

La tecnología de los condensadores de metal ion (MIC, siendo M = L para Li y N para Na) se desarrolló por primera vez a principios de los años 2000 como un enfoque novedoso basado en la hibridación interna de baterías de litio-ion (LIB) y condensadores eléctricos de doble capa (EDLC). Estos sistemas prometen unir las mejores características de cada tecnología, logrando altas densidades de energía, gracias al electrodo de tipo batería; a altas densidades de potencia, gracias al electrodo de tipo condensador, manteniendo al mismo tiempo una larga ciclabilidad. Desde que el primer condensador comercial de litio ion llegó al mercado en 2008, la investigación en este campo ha aumentado notablemente. Sin embargo, la mayoría de los sistemas desarrollados ganan energía a expensas de la potencia y/o la ciclabilidad. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis es desarrollar condensadores de litio y sodio ion (LICs y NICs) más energéticos, con más potencia y más estables.En este escenario, el carbón activado (activated carbon, AC) debido a su rápida respuesta, estabilidad y bajo coste, ha sido el material escogido para ser utilizado como electrodo positivo de tipo condensador, mientras que para el electrodo negativo de tipo batería se han investigado tres materiales farádicos diferentes: carbón duro (hard carbon, HC), SnO2 embebido en una matriz de óxido de grafeno reducido (SnO2-rGO) y el compuesto intermetálico TiSb2. Utilizando HC y TiSb2 se han podido desarrollar tanto LICs como NICs, mientras que el SnO2-rGO solamente se ha utilizado en la tecnología de litio ion debido a su pobre rendimiento en sodio.Además, dado que la ventana de voltaje de un MIC también puede aumentarse utilizando electrolitos con mayor estabilidad electroquímica, se han estudiado diferentes electrolitos para los MICs basados en HC. Como resultado, el uso de un nuevo disolvente basado en un éster ha permitido aumentar la ventana de voltaje del LIC carbonoso, abriendo el camino hacia dispositivos de almacenamiento de energía de 5 V.En general, se puede decir que los resultados obtenidos han conseguido el objetivo inicial de desarrollar LICs y NICs más energéticos, con más potencia y más estables.