Evaluación de supercapacitores basados en fibras de carbono modificadas con polianilina y óxido de manganeso

Abstract

En las últimas décadas se han realizado avances significativos para la generación de sistemas energéticos renovables, sustentables, accesibles y estables. El desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía se divide en dos dispositivos: baterías y capacitores. Las baterías son dispositivos que almacenan elevada cantidad de energía, pero presentan baja potencia. Por otro lado, los capacitores son sistemas de elevada potencia, pero de baja energía almacenada respecto a las baterías. Recientemente, el desarrollo de supercapacitores (capacitores con elevada cantidad de energía) ha incrementado la aplicación de los capacitores en sistemas eléctricos. Sin embargo, los capacitores tienen limitaciones debido a los mecanismos de almacenamiento que presentan: capacitancia por doble capa eléctrica y pseudocapacitancia. Materiales carbonosos como fibra de carbón (FC) se caracterizan por mecanismos de doble capa eléctrica. Mientras que, polímeros conductores (i.e., polianilina) y óxidos metálicos (i.e., MnO2) presentan pseudocapacitancia. Supercapacitores preparados con materiales de bajo costo y con elevadas capacitancias son importantes para competir con sistemas ya establecidos en la industria. Esto se puede lograr empleando diferentes materiales que presenten una sinergia entre sus mecanismos de almacenamiento de energía. En este trabajo se presenta la preparación electroquímica por voltamperometría cíclica de polianilina (PANI) y óxido de manganeso (MnO2) sobre fibra de carbón (FC). La cantidad apropiada de material sobre la FC se evaluó variando la cantidad de ciclos y velocidad de barrido durante la electrosíntesis. La caracterización estructural y morfológica se realizó mediante difracción de rayos-X, espectroscopía Raman, espectroscopía infrarroja, microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de energía dispersiva de rayos- X. Estas caracterizaciones confirman la presencia de PANI y MnO2 sobre la FC sin el uso de fijadores o aglutinantes. La evaluación electroquímica de los electrodos se realizó empleando voltamperometría cíclica y curvas de carga-descarga galvanostática en un sistema de tres electrodos. La capacitancia específica evaluada por voltamperometría cíclica en 0.5 mol L-1 H2SO4 a 5 mV s-1 de FC-PANI-MnO2 es 1.7 veces la capacitancia especifica de la FC con 276 F g-1. El efecto sinérgico de la PANI y el MnO2 se comprueba con los sistemas FC-PANI (244 F g-1) y FC-MnO2 (228 F g-1) evaluados a las mismas condiciones. La evaluación por carga- descarga galvanostática en 0.5 mol L-1 H2SO4 a 1 A g-1 de FC-PANI-MnO2 es 1.5 veces la capacitancia especifica de la FC con 380 F g-1.

In the last decades, significant efforts have been made to generate renewable, ecofriendly, affordable, and stable energy systems. The development of energy storage systems is mainly divided in two types: batteries and capacitors. Batteries are devices with high specific energy, but low power. Meanwhile, capacitors are systems with high power, but low or medium specific energy. Recently, the development of capacitor with high energy storage, supercapacitors, had increased the use of them in electrical systems. However, supercapacitors present a limited capacitance due to their electrical storage mechanisms: electrical double layer capacitance (EDLC) and pseudocapacitance. Carbonaceous materials such as carbon fiber (CF) presents EDLC mechanism. Meantime, conductive polymers (i.e., polyaniline) and metal oxides (i.e., MnO2) present pseudocapacitance mechanisms.

The need of obtain supercapacitors with high capacitance based on low-cost materials for industrial applications is still untended. The synergistically union of capacitance mechanisms may surpass the limitation of each one by itself. In this study, carbon fiber was modified with polyaniline (PANI) and manganese oxide (MnO2) using cyclic voltammetry. The adequate material concentration was tested during their electro-synthesis varying cycles number and scan rate. Structural and morphological properties were characterized by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, Infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, and energy dispersive X-ray spectroscopy. These techniques confirmed PANI and MnO2 presence in CF surface without the use of binders. Electrochemical evaluation was carried out in a typical three-electrode system using cyclic voltammetry and galvanostatic charge-discharge. CF-PANI-MnO2 specific capacitance evaluated by cyclic voltammetry was 1.7 times CF capacitance with 276 F g-1 in 0.5 mol L-1 H2SO4 at 5 mV s-1. The synergic effect was proved in comparison with CF-PANI (244 F g-1) and CF-MnO2 (228 F g-1) under the same conditions. Specific capacitance calculated by galvanostatic charge-discharge was 380 F g-1 for CF-PANI-MnO2, representing 1.5 times CF specific capacitance. Meanwhile, CF-PANI and CF-MnO2 were 336 F g-1 and 338 F g-1, respectively.