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H2020

GRAPHIL — Resultado resumido

Project ID: 706314
Financiado con arreglo a: H2020-EU.1.3.2.
País: Bélgica
Dominio: Investigación fundamental, Energía

Química de superficies entre el grafeno y líquidos iónicos

A fin de aumentar la capacidad de los dispositivos de almacenamiento de energía de siguiente generación, como los supercondensadores, es necesario comprender mejor los complejos fenómenos subyacentes a la interfaz entre los electrodos a base de grafeno y el electrolito resulta esencial.
Química de superficies entre el grafeno y líquidos iónicos
El grafeno, una capa única de átomos de carbono, es un material de electrodos interesante para los supercondensadores por su elevada superficie y alta conductividad electrónica. Del mismo modo, los líquidos iónicos son excelentes candidatos a causa de su alta estabilidad electroquímica. Sin embargo, todavía no se comprende bien cómo interactúan los electrolitos de líquidos iónicos con el material de carbono.

En el marco del proyecto financiado con fondos europeos GRAPHIL, los científicos investigaron cómo pueden los cambios en la estructura de los electrolitos de líquidos iónicos afectar a la estructura electrónica del grafeno, lo cual a su vez influye en la eficiencia de los dispositivos de almacenamiento de energía. «Es muy importante identificar cómo se adhieren a la superficie de los electrodos los iones cargados y la longitud de la cadena de alquilos fijada a cualquiera de estos iones con el fin de mejorar la capacidad y eficiencia de los sistemas de almacenamiento de energía», señala el doctor Gangamallaiah Velpula.

Mejores materiales para el almacenamiento de energía

Los condensadores electromecánicos, también conocidos como supercondensadores o ultracondensadores, almacenan energía eléctrica mediante la adsorción reversible de iones en la superficie de los electrodos. En estos dispositivos, el electrolito forma una conexión conductiva iónica entre los dos electrodos. Entre los materiales de carbono, el grafeno tiene potencialmente la mayor superficie, lo cual aumenta significativamente la capacitancia específica. No obstante, es difícil comprender cómo se transportan los iones (tanto aniones como cationes) y cómo interactúan con los electrodos de grafeno.

Los investigadores de GRAPHIL han obtenido datos fundamentales sobre la estructura detallada de las películas finas de líquidos iónicos en contacto con el grafeno y el grafito, y sobre cómo influyen en la estructura del grafeno. El estudio ofrece a los científicos información para desarrollar materiales más adecuados para los dispositivos de almacenamiento de energía.

Además de su amplia ventana electroquímica, los líquidos iónicos poseen propiedades fisicoquímicas excepcionales, como una alta estabilidad térmica y la ininflamabilidad. Estas propiedades los convierten en electrolitos aptos para baterías.

«El desbordamiento térmico sigue siendo uno de los principales riesgos asociados al uso de baterías de iones de litio en aplicaciones de almacenamiento de energía o de vehículos. Las reacciones no deseadas entre los componentes de la batería y el electrolito orgánico líquido provocan que la batería sufra una reacción exotérmica, generando más y más calor, lo cual puede acabar provocando un incendio o explosión», explica el doctor Velpula. Los electrolitos de líquidos iónicos no inflamables pueden contribuir a desterrar las preocupaciones en materia de seguridad asociadas al uso de baterías de iones de litio.

El tamaño de los aniones sí importa

Los investigadores mezclaron grafeno con líquido iónico que contenía iones con carga negativa y positiva. En el primer caso, el catión empleado fue imidazolio y el anión fue el bis-(trifluorometilsulfonil)-imida (Tf2N), grande y de asociación débil, mientras que en el segundo caso el anión fue el tetrafluoroborato (BF4), pequeño y de fuerte asociación. Usando un microscopio de Fuerza Atómica, espectroscopia Raman y simulaciones moleculares, el equipo analizó la fina capa formada sobre el grafeno y el grafito, y valoró la influencia de la estructura interfacial de los líquidos iónicos en la estructura electrónica del grafeno.

Los resultados mostraron que el tamaño de los aniones puede cambiar la disposición molecular de los aniones y cationes líquidos en la superficie del grafeno. Por ejemplo, el uso combinado de Tf2N e imidazolio provoca que este último se adsorba en la superficie de los electrodos. Por otro lado, en los líquidos iónicos que contenían BF4, ambas partículas cargadas tenían más probabilidades de adsorción en el grafeno.

A diferencia de los aniones, se descubrió que los cationes desempeñan una función menor en la nanoestructura de los líquidos iónicos en su interfaz con el electrodo. En particular, el líquido iónico que contenía el de catión no aromático de pirrolidina y Tf2N ejerció una leve influencia en las propiedades del grafeno; en particular, el catión con cadenas de alquilos más largas. Esto puede atribuirse a la deslocalización de la carga, que es menos común en el caso de la pirrolidina que en el caso del imidazolio.

La información esencial obtenida por GRAPHIL sobre la química de superficies entre el grafeno y los líquidos iónicos será muy valiosa para la ingeniería de la estructura de interfaces, la cual a su vez influirá en la eficiencia de los dispositivos de almacenamiento de energía.

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Palabras clave

GRAPHIL, grafeno, líquido iónico, almacenamiento de energía, anión, catión, supercondensador, interfaz, química de superficies
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