Los plásticos han dado forma a nuestro mundo moderno y han cambiado nuestra forma de vida. Durante décadas, se han utilizado principalmente en electrónica por sus excelentes propiedades aislantes. Pero en la década de 1970, los científicos descubrieron accidentalmente que algunos plásticos también pueden conducir electricidad. Este hallazgo revolucionó el campo y abrió la puerta a aplicaciones en electrónica y almacenamiento de energía.
Uno de los plásticos electroconductores más utilizados en la actualidad se llama PEDOT, abreviatura de poli(3,4-etilendioxitiofeno). PEDOT es una película flexible y transparente que se aplica a menudo a las superficies de películas fotográficas y componentes electrónicos para protegerlos de la electricidad estática. También se encuentra en pantallas táctiles, células solares orgánicas y dispositivos electrocrómicos, como ventanas inteligentes que cambian de claro a oscuro con solo presionar un botón.
Sin embargo, el potencial de PEDOT para el almacenamiento de energía ha sido limitado porque los materiales PEDOT disponibles comercialmente carecen de la conductividad eléctrica y el área de superficie necesarios para retener grandes cantidades de energía. Los químicos de la UCLA están abordando estos desafíos con un método innovador para controlar la morfología del PEDOT y hacer crecer nanofibras con precisión. Estas nanofibras exhiben una conductividad excepcional y una superficie expandida, ambas características cruciales para mejorar las capacidades de almacenamiento de energía del PEDOT.
Este enfoque, descrito en un artículo publicado en Advanced Functional Materials, demuestra el potencial de las nanofibras de PEDOT para aplicaciones de supercondensadores. A diferencia de las baterías, que almacenan energía a través de reacciones químicas lentas, los supercondensadores almacenan y liberan energía acumulando carga eléctrica en su superficie. Esto les permite cargarse y descargarse extremadamente rápido, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren ráfagas rápidas de energía, como los sistemas de frenado regenerativo en vehículos híbridos y eléctricos y los flashes de las cámaras. Por lo tanto, los mejores supercondensadores son una vía para reducir la dependencia de los combustibles fósiles.
Los químicos de la UCLA produjeron el nuevo material a través de un proceso único de crecimiento en fase de vapor para crear nanofibras de PEDOT verticales. Estas nanofibras, que se asemejan a una hierba densa que crece hacia arriba, aumentan drásticamente la superficie del material, lo que le permite almacenar más energía. Al agregar una gota de líquido que contiene nanoláminas de óxido de grafeno y cloruro férrico sobre una lámina de grafito, los investigadores expusieron esta muestra a un vapor de las moléculas precursoras que finalmente formaron el polímero PEDOT. En lugar de convertirse en una película muy delgada y plana, el polímero se convirtió en una estructura gruesa similar a una piel, lo que aumentó significativamente la superficie en comparación con los materiales PEDOT convencionales.
“El crecimiento vertical único del material nos permite crear electrodos PEDOT que almacenan mucha más energía que los PEDOT tradicionales”, dijo el autor correspondiente y científico de materiales de la UCLA Maher El-Kady. “La carga eléctrica se almacena en la superficie del material, y las películas PEDOT tradicionales no tienen suficiente área de superficie para retener mucha carga. Aumentamos el área de superficie de PEDOT y, por lo tanto, aumentamos su capacidad lo suficiente como para construir un supercondensador”.
Los autores utilizaron estas estructuras PEDOT para fabricar supercondensadores con una excelente capacidad de almacenamiento de carga y una estabilidad de ciclo extraordinaria, alcanzando casi 100.000 ciclos. El avance podría allanar el camino para sistemas de almacenamiento de energía más eficientes, abordando directamente los desafíos globales en energía renovable y sostenibilidad.
“Un polímero es esencialmente una larga cadena de moléculas construidas a partir de bloques más cortos llamados monómeros”, dijo El-Kady. “Piense en ello como un collar hecho de cuentas individuales unidas entre sí. Calentamos la forma líquida de los monómeros dentro de una cámara. A medida que los vapores ascienden, reaccionan químicamente cuando entran en contacto con la superficie de las nanofibras de grafeno. Esta reacción hace que los monómeros se unan y formen nanofibras verticales. Estas nanofibras tienen una superficie mucho mayor, lo que significa que pueden almacenar mucha más energía”.
El nuevo material PEDOT ha mostrado resultados impresionantes, superando las expectativas en varias áreas críticas. Su conductividad es 100 veces mayor que la de los productos PEDOT comerciales, lo que lo hace mucho más eficiente para el almacenamiento de carga. Lo que es aún más notable es que la superficie electroquímicamente activa de estas nanofibras PEDOT es cuatro veces mayor que la del PEDOT tradicional. Esta mayor superficie es crucial porque permite almacenar mucha más energía en el mismo volumen de material, lo que aumenta significativamente el rendimiento de los supercondensadores.
Gracias al nuevo proceso, que hace crecer una gruesa capa de nanofibras sobre la lámina de grafeno, este material tiene ahora una de las mayores capacidades de almacenamiento de carga para PEDOT de las que se ha informado hasta la fecha: más de 4.600 milifaradios por centímetro cuadrado, lo que supone casi un orden de magnitud superior al PEDOT convencional.
Además, el material es increíblemente duradero, ya que resiste más de 70.000 ciclos de carga, mucho más que los materiales tradicionales. Estos avances abren la puerta a supercondensadores que no solo son más rápidos y eficientes, sino también más duraderos, cualidades esenciales para la industria de las energías renovables.
“El rendimiento y la durabilidad excepcionales de nuestros electrodos muestran un gran potencial para el uso de PEDOT de grafeno en supercondensadores que pueden ayudar a nuestra sociedad a satisfacer nuestras necesidades energéticas”, afirmó el autor correspondiente Richard Kaner, profesor distinguido de química y de ciencia e ingeniería de materiales de la UCLA, cuyo equipo de investigación ha estado a la vanguardia de la realización de investigaciones sobre polímeros durante más de 37 años.
Como estudiante de doctorado, Kaner contribuyó al descubrimiento del plástico conductor de electricidad por parte de sus asesores Alan MacDiarmid y Alan Heeger, quienes más tarde recibieron un premio Nobel por su trabajo. Otros autores del estudio son Musibau Francis Jimoh, Gray Carson y Mackenzie Anderson, todos ellos también de la UCLA.
Fuente: Tech Xplore.
