El Programa de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional Mexicano
Alrededor del 75% de la energía producida en México es obtenida por la quema de combustibles fósiles . En 2017, México emitió cerca de 734 millones de toneladas de gases de efecto invernadero , de las cuales, el 70% es atribuido a actividades relacionadas con la producción de energía . Con la finalidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, el Programa de Desarrollo del Sistema Eléctrico Nacional ha propuesto que al menos el 35% de la energía eléctrica producida en 2024 se obtenga mediante la explotación de energías limpias, la Ley de Transición Energética considera a las fuentes renovables como energías limpias . Entre las fuentes de energía renovables se encuentran el viento y la radiación solar, debido a la intermitencia con la que se presentan en la naturaleza es necesario convertirlas en energía eléctrica para ser almacenada y suministrada cuando sea necesario .
La importancia de suministrar de manera eficiente las energías renovables, el incremento en el consumo de energía, así como la integración de componentes flexibles en dispositivos electrónicos cada vez más delgados y ligeros, ha promovido el interés de desarrollar nuevos sistemas de almacenamiento de energía (SAE) , , . Debido a su alta capacitancia específica, alta densidad de potencia y larga vida útil , , los supercapacitores (SC) son prometedores SAE que pueden ser utilizados en las nuevas generaciones de electrónicos inteligentes, la carga rápida de teléfonos móviles, dispositivos biomédicos, el sistema de frenado regenerativo en autos híbridos y eléctricos, entre otras aplicaciones .
Los SC están compuestos por un par de electrodos porosos separados por una membrana empapada con un electrolito líquido . Generalmente los electrodos que componen a un SC constan de materiales a base de carbón, óxidos/hidróxidos de metales de transición y polímeros conductores . Los SC con electrodos a base carbón almacenan cargas por la formación de la doble capa eléctrica en la interfase electrodo/electrolito, este tipo de SC son denominados capacitores electroquímicos de doble capa (CEDC). Por otro lado, los SC con electrodos a base de óxido de metales de transición y polímeros conductores se consideran pseudocapacitores , . A diferencia de las baterías, en donde las reacciones faradaicas ocurren por la intercalación y desintercalación de las cargas en la estructura cristalina de los electrodos, en los pseudocapacitores, las reacciones faradaicas pueden ocurrir por la adsorción reversible de las reacciones redox en los óxidos/hidróxidos de metales de transición o por el desdopado electroquímico reversible en los polímeros conductores .
Los CEDC se cargan en cuestión de minutos, tienen una gran estabilidad frente al ciclado y suministran grandes densidades de potencia, sin embargo, poseen limitados valores de energía . Por otro lado, los pseudocapacitores brindan grandes valores de capacitancia específica y de energía, sin embargo, debido a la naturaleza de los materiales que componen sus electrodos tienden a ser muy poco estables frente al ciclado . La poca energía que son capaces de suministrar los SC representa una problemática considerando las necesidades de los nuevos dispositivos electrónicos . El incremento de la capacitancia específica combinando ambos mecanismos de almacenamiento (doble capa eléctrica y pseudocapacitancia) en los electrodos, ha sido la estrategia más estudiada para aumentar la energía en los SC ; para conseguirlo, la superficie de materiales a base de carbón es modificada por la funcionalización de heteroátomos (N, B, S, O, P) o la formación de compósitos de materiales pseudocapacitivos . Sin embargo, la poca estabilidad frente al ciclado limita la aplicación de este tipo de electrodos en los SC .
Considerando que la energía en un SC es directamente proporcional al cuadrado de la ventana de potencial, los electrolitos son un componente clave para mejorar el desempeño electroquímico en los SC . Los electrolitos utilizados en SC pueden ser clasificados en tres categorías: acuosos, orgánicos y líquidos iónicos . Los electrolitos acuosos poseen una elevada conductividad iónica y una baja resistencia interna, pero su ventana de potencial se limita a intervalos menores a 1.23 V, debido a la descomposición del agua , y la naturaleza ácida o alcalina de las especies disueltas tiende a corroer las partes metálicas que conforman el ensamble . Los electrolitos orgánicos poseen una baja viscosidad y una ventana de potencial con intervalos de entre 2.5 V y 2.8 V , pero su alta flamabilidad hace complicada su aplicación. Por último, los líquidos iónicos presentan altos valores de conductividad iónica y su ventana de potencial puede comprender intervalos de hasta 3 V , sin embargo, por su alta viscosidad sus propiedades se pueden ver afectadas por diversos factores. Debido a esto, se ha optado por buscar especies neutras disueltas en medios acuosos, la ventana de potencial en este tipo de electrolitos puede superar los 1.23 V . Si se compran con los electrolitos acuosos tradicionales, el uso de especies neutras previene la corrosión de las partes metálicas del ensamble , por otro lado, a diferencia de los electrolitos orgánicos y líquidos iónicos, son amigables con el ambiente y presentan mayor facilidad y seguridad a la hora de trabajar con ellos.
A principios de la década pasada se propuso la adición de mediadores redox al electrolito como una estrategia para aumentar la energía de un SC , esto, con la finalidad de que el mecanismo de almacenamiento de energía en los SC se dé por la atracción de cargas en la superficie de los electrodos y por contribuciones faradaicas que ocurren en el electrolito. De esta manera, el aumento de energía puede deberse al aumento de la capacitancia específica y de la ventana de potencial dependiendo de la naturaleza química de electrolito acuoso que se utilice (ácido, alcalino o neutro). Este fenómeno presenta una mayor estabilidad si se compara con la modificación de la superficie de los electrodos y las contribuciones de las especies disueltas hace que sea más eficiente que solo aumentar la ventana de potencial .
La fuga de electrolito, la descomposición y el empaquetado y la necesidad de un separador para evitar el contacto entre los electrodos, son problemas presentes en los electrolitos convencionales o líquidos que hacen que los ensambles de SC sean rígidos y voluminosos . Por lo que la comunidad científica se ha interesado en desarrollar materiales que puedan funcionar como electrolito y separador al mismo tiempo. Los geles poliméricos constan de una fase líquida atrapada en una matriz polimérica (fase solida) . La conductividad iónica y la ventana de potencial de este tipo de electrolitos son atribuidas principalmente a la fase líquida que se utiliza para formar el gel. Y según la matriz polimérica que se utilice para contener la fase líquida, los geles pueden presentan propiedades tales como: autoadherencia, autorreparación, gran maleabilidad y excelentes propiedades mecánicas . Propiedades que permitirán que los SAE puedan ser integrados con mayor facilidad en las nuevas generaciones de dispositivos electrónicos .
