Advances in carbon nanofiber-based supercapacitors

Abstract

Nowadays, our modern society huge challenges related to energy, savings as well as energy management, to improve and extend the standard of living to a growin population over 7000 million people, and do it with sustainable technologies becomes our main survival role play. Energy storage is a critical question to obtain a complete energy management system. Storage devices, suitably controlled by modern fast power electronic converters, may play a fundamental role in facing the challenge of global energy savings. In the present work, a new storage system based in electrochemical double layer capacitor has been developed and tested. The present doctoral thesis gives background related to energy storage based on supercapacitors. It attempts to place the supercapacitor device in context of available and future technologies for alternative energy systems management. Limitations of cells and electrodes are introduced. Ionic transport in active carbon and carbon nanofiber electrodes and possible restrictions in carbon nanostructured porous systems are studied and a novelty method to solve them are described. There are some open issues in the supercapacitor development, in this thesis the major challenges are introduced and how we can go beyond them, become the major objective. The results from the studies are presented in this thesis together with the scientific papers this thesis is based on.

Avui en dia, en les societats modernes, tenim l’important repte de fer sostenible el consum d’energia i al mateix temps salvaguardar els estàndards de qualitat de vida, en un planeta amb mes de 7.000 milions de persones, per això en l’acord de Paris (2015) es va marcar com objectiu que l’increment de temperatura mundial quedi per sota dels 2ºC, per aconseguir aquest objectiu s’han de reduir les emissions de gasos que influeixen negativament en l’efecte hivernacle. Reduir les emissions de gasos passa per un us mes racional de les diferents fonts d’energia, prioritzant l’energia elèctrica, que ha mostrat ser la menys contaminat. Un ús eficient de l’energia elèctrica passa pel desenvolupament de nous sistemes per emmagatzemar l’energia elèctrica, tant pel seu ús en sistemes de transport com per el nou paradigma de les ciutats intel·ligents. En aquest treball s’ha proposat: 1.- Estudiar els sistemes d’emmagatzematge elèctric basats en supercondensadors, des de les diferents parts que formen el supercondensador, s’han analitzat a fons les tres parts principals que conformen el supercondensador: Els elèctrodes, els separadors i l’electròlit. S’ha dedicat un especial esforç al estudi i disseny de nous elèctrodes, per això, s’han fet servir nanofibres de carbó, comprovant l’efecte del dopat de les nanofibres de carboni amb òxid de manganès millora de forma notable els valors de la capacitat especifica, arribant a valors de 812 F/g mesurats amb una rampa de tensió de 5 mV/s, i també, pensant en una futura industrialització del procés de fabricació, s’ha estudiat en profunditat la concentració i el tipus de polímer que es pot fer servir com a “binder” per mantindré l’estructura mecànica del elèctrode. 2.- Desenvolupar un nou sistema basat en l’ús de nano estructures carbonoses per la fabricació d’elèctrodes de supercondensadors de alta eficiència. S’ha estudiat l’efecte de fer servir nanofibres de carbó juntament amb carbó activat per millorar la resposta tant pel que fa a la capacitat especifica com a la resistència sèrie equivalent (ESR), s’han obtingut valors de capacitat especifica de 334 F/g fent servir únicament carbó activat i de 52 F/g amb nano fibres, fent servir sempre una rampa de tensió de 5 mV/s. Pel que fa a la ESR, les nanofibres, com era d’esperar, ens proporcionen el valor mes baix (0.28 Ω) en comparació als valors obtinguts fent servir carbó activat (3.72 Ω). Per aprofitar les millors característiques de les nano fibres i del carbó activat, s’ha estudiat quina es la millor relació entre elles: (90% de AC / 10% de CNFs) amb això el millor valor obtingut ha estat de 207 F/g. 3.- Estudiar el fenomen de la conductivitat iònica a l’interior de les estructures carbonoses dels elèctrodes i desenvolupar una millora que permeti reduir la resistència sèrie equivalent (ESR). Pensant en la sostenibilitat, s’ha dedicat un esforç especial al estudi i desenvolupament d’electròlits en base aquosa, que permetin optimitzar els valors de resistència sèrie equivalent (ESR) al mateix temps que s’ha evitat fer ús de productes nocius pel medi ambient o que requereixin de processos industrials complicats per la seva obtenció. En base a això, s’ha comprovat que el millor electròlit de base aquosa es la dissolució 1M de KOH, malgrat que aquesta es reactiva a l’alumini i complica el posterior procés d’encapsulat. Finalment s’ha optat per el sulfat de sodi (Na2SO4) que ha estat fet servir com ha referencia en bona part del estar del art, malgrat això, s’ha comprovat que la concentració del aigua del Mart Mort, que conté bàsicament clorurs de magnesi i potassi també dona uns resultats acceptables. 4.- Estudiar els efectes de la auto descàrrega i proposar un nou tipus de separadors que permeti millorar aquest paràmetre, seguint el model del supercondensador, seria fer que la resistència paral·lel sigui d’un valor el mes gran possible. Un dels elements constituents dels supercondesandors que ha estat poc estudiat en la literatura científica es el separador, habitualment es fa servir cel·lulosa, en aquest estudi s’ha estudiat l’efecte del separador de cel·lulosa en comparació amb un separador de fibra de vidre i per últim s’ha comprovat que les membranes conductores iòniques, que habitualment es fan servir en les bateries de flux, ens proporcionen els millors resultats pel que fa als valors de la resistència paral·lel.