Tradicionalmente las baterías de Li-ion y los supercondensadores han sido los encargados de dominar la industria del almacenamiento de energía electroquímica. Sin embargo, en 2008 apareció en el mercado una nueva tecnología dispuesta a acompañar a estos dos dispositivos en el camino hacia una transición energética más respetuosa con el medio ambiente: los condensadores de Li-ion; una tecnología híbrida entre las baterías de Li-ion (capaces de ofrecer grandes densidades energéticas) y los supercondensadores (que destacan por su potencia y vida útil).
Debido a esta hibridación, los condensadores de Litio-ion cuentan con una densidad de energía y potencia media-alta y una larga vida útil, lo cual los hace ideales en sistemas complementarios de recuperación de energía y también como fuente de energía principal en dispositivos que requieran altas potencias.
Así pues, en un contexto en el que se dispone de baterías, supercondensadores y condensadores de Li-ion, puede parecer que disponemos de suficientes tecnologías de almacenamiento de energía para saciar todas nuestras necesidades, sin embargo, sigue resultando indispensable la optimización de estos dispositivos para ser capaces de cubrir todos los requisitos que demandan los consumidores. Por eso, en CIC energiGUNE estamos centrados en el desarrollo de condensadores de Li-ion de alta densidad energética para ampliar la ventana de necesidades que estos dispositivos pueden satisfacer de forma competitiva en el mercado.
Cómo dominar materiales de altas capacidades específicas como el estaño
Normalmente, los condensadores de Li-ion están formados por un electrodo negativo de grafito y un electrodo positivo de carbón activo. De manera que las estrategias para aumentar la densidad energética de estos dispositivos se centran en el uso de nuevos materiales con altas capacidades específicas que puedan reemplazar al grafito.
Uno de los materiales más prometedores para cumplir con este objetivo es el estaño, que se utiliza como material activo en el electrodo negativo y cuya capacidad teórica es casi tres veces mayor a la del grafito (994 vs 372 mAh/g). Además, comparado con otros materiales de alta capacidad específica, el estaño tiene muchas ventajas, ya que es estable, seguro, fácil de manejar, abundante, barato y no tóxico, de manera que cumple con todos los requisitos para liderar un futuro más sostenible.
Aun así, la utilización de estaño tiene ciertas desventajas que provocan que su implementación se vea limitada. La principal desventaja son los grandes cambios de volumen (de hasta un 300%) que experimenta durante su litiación y delitiación. Estos cambios de volumen producen la pulverización de las partículas de estaño y la pérdida de contacto entre ellas, lo que conlleva una disminución de la conductividad del electrodo, una mayor degradación del electrolito, una peor actuación de los condensadores Li-ion a altas densidades de corrientes y problemas de estabilidad que acortan la vida útil de los dispositivos.
Sin embargo, no todo está perdido con el estaño.
Desde la línea de investigación de Supercondensadores de CIC energiGUNE hemos conseguido mitigar el efecto de estos cambios de volumen gracias al desarrollo de un composite a base de estaño y grafeno, de manera que el grafeno actúa de matriz conductora, interconectando las partículas de estaño entre sí, a la vez que consigue amortiguar los cambios de volumen. Esta sinergia entre grafeno y estaño tiene como resultado un aumento en la densidad energética de los condensadores Litio-ion y de su estabilidad. Concretamente, los dispositivos son capaces de operar a altas densidades de corriente y entregar 100 Wh/kg durante casi 20 mil ciclos de carga y descarga manteniendo el 100% de su capacidad, valores por encima de lo reportado hasta la fecha para dispositivos similares.
