Fabricación y testeo de un módulo de supercapacitores de bajo costo basado en carbón activado y gel electrolítico biodegradable

Abstract

En este trabajo se demuestra la factibilidad del escalamiento de dispositivos de almacenamiento de energía mediante supercapacitores (SC) económicos, seguros y amigables con el medio ambiente. Se fabricó y probó un módulo de almacenamiento basado en supercapacitores de estado sólido. Para ello, se elaboraron electrodos de carbón activado y un gel electrolítico biodegradable compuesto por agar de grado comestible, óxido de grafeno (GO) y sales iónicas. La síntesis del óxido de grafeno se realizó mediante el método de Hummers modificado, y los electrodos se prepararon utilizando polifluoruro de vinilideno (PVDF) como aglutinante. Para evaluar las prestaciones de los dispositivos SC en función de la conducción iónica de los geles, se fabricaron tres geles electrolíticos variando la proporción de las sales iónicas KOH y KI. Posteriormente, se ensamblaron SC utilizando cada uno de los geles y electrodos a base de carbón activado, y se caracterizó su capacidad de retención de energía mediante ensayos de voltametría cíclica y ciclos de carga y descarga, complementados con análisis a través de diagramas de Nyquist obtenidos por espectroscopia de impedancia. Los resultados revelaron el comportamiento típico de los SC, en el que la capacitancia específica disminuye al aumentar la velocidad de barrido, debido a la dificultad de penetración de los iones a altas velocidades. Asimismo, se identificó una elevada componente resistiva en los dispositivos, lo que afecta negativamente su eficiencia en la transferencia de energía. A partir de estos análisis, se seleccionó el SC con mejor desempeño, fabricado con el gel 2 (elaborado con 0,5 [g] de KI y 1 [g] de KOH), para ensamblar un módulo de almacenamiento conformado por la conexión en serie de seis SC encapsulados en una carcasa de PLA impresa en 3D, con el objetivo de evaluar su rendimiento como módulo de SC de estado sólido. El estudio de este módulo de SC, como dispositivo de almacenamiento de energía económico, seguro y amigable con el medio ambiente, demuestra la factibilidad del escalamiento de estos dispositivos. Sin embargo, es necesario complementar el estudio para optimizar las características de los geles y mejorar el desempeño global del dispositivo. No obstante, como primera aproximación al escalamiento, se logró poner en funcionamiento un banco de SC de estado sólido fabricado con materiales de bajo costo y respetuosos con el medio ambiente.

In this work, the feasibility of scaling up energy storage devices using economical, safe, and environmentally friendly supercapacitors (SC) is demonstrated. A storage module based on solid-state supercapacitors was fabricated and tested. For this purpose, activated carbon electrodes were produced along with a biodegradable electrolytic gel composed of edible-grade agar, graphene oxide (GO), and ionic salts. The graphene oxide was synthesized using a modified Hummers method, and the electrodes were prepared using polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder. To evaluate the performance of the SC devices based on the ionic conductivity of the gels, three different electrolytic gels were produced by varying the proportion of the ionic salts KOH and KI. Subsequently, SCs were assembled using each of the gels and the activated carbon electrodes, and their energy storage capacity was characterized through cyclic voltammetry and charge-discharge cycles, complemented by analyses via Nyquist plots obtained from impedance spectroscopy. The results revealed the typical behavior of SCs, where the specific capacitance decreases with increasing scan rate due to the difficulty of ion penetration at high speeds. Additionally, a significant resistive component was identified in the devices, negatively affecting their energy transfer efficiency. Based on these analyses, the best-performing SC—manufactured with gel 2 (formulated with 0.5 g of KI and 1 g of KOH)—was selected for the fabrication of a storage module composed of six SCs connected in series and encapsulated in a 3D-printed PLA casing, with the aim of evaluating its performance as a solid-state SC module. The study of this SC module, as an economical, safe, and eco-friendly energy storage device, demonstrates the feasibility of scaling up these devices. However, further work is needed to optimize the gel characteristics and improve the overall performance of the device. Nonetheless, as an initial approach to scaling up, a solid-state SC bank was successfully implemented using low-cost, environmentally friendly materials.