PROYECTO COORDINADO MAT2012-39199-C02

Subproyectos 01 (CIN2 y ICMB). IP : Pedro Gómez-Romero. Participantes: Dino Tonti, Mara Olivares, Vanesa Ruíz, Jullieth Suárez y Omar Ayyad.

Subproyecto 02 (UCM). IP:  Eduardo Enciso. Participantes: Maria Isabel Redondo, Isabel Carrillo y Pablo Palomino.

Financiación MINECO  (2013-2015)

TÍTULO DEL PROYECTO: Materiales Nanoestructurados de Carbono e Híbridos para Almacenamiento de Energía         NANOCARHIBE

1. El objetivo general de este proyecto es desarrollar electrodos con materiales basados en carbón y sus híbridos para dispositivos de almacenamento de energía (supercondensadores y baterías litio-aire) con prestaciones mejoradas.

2. Este objetivo se estructura a partir de dos ideas centrales: (a) la mejora de las propiedades electroquímicas de  materiales porosos exige considerar un nuevo paradigma basado en correlacionar estas propiedades con el  conjunto de la interfase activa, donde la termodinámica de adsorción, confinamiento e intercalado de los electrolitos y su transporte son determinantes; (b) el diseño de nuevas rutas preparativas para estos materiales necesita de una mayor comprensión de la fenomenología, donde composición, estructura y textura a diferentes escalas (jerarquización) de los materiales implicados y su interacción con las especies electrolíticas son parámetros fundamentales.

3. El proyecto plantea tres líneas de actuación en las que se integran tanto carbonos amorfos convencionales susceptibles de mejora, beneficiándonos del saber acumulado,  como de nuevos materiales grafíticos y grafeno. (a) En la primera se trabajará en la preparación de  carbones con microestructuras optimizadas y con funcionalizaciones adecuadas, tanto texturales como superficiales, que permitan incorporar  especies que refuercen sus prestaciones; (b) en la segunda se diseñarán materiales híbridos introduciendo en los carbones especies inorgánicas como los polioxometalatos (ej. H₃PMo₁₂O₄₀, H₄SiW₁₂O₄₀), óxidos metálicos (MnO₂) y polímeros conductores (PANI) con objeto de evaluar posibles  sinergias; (c) y finalmente, se incidirá en la integración de los materiales desarrollados (tanto carbones como sus híbridos) en dispositivos de laboratorio que incluyen supercondensadores electroquímicos y baterías de litio-aire.

Fig. 1 Estructura de las activ idades a desarrollar a lo largo del proyecto

A continuación se detallan las actividades a llevar a cabo, su asignación por subproyectos y la relación entre ellas:

Subproyecto  UCM

1. Preparación de carbones amorfos sintéticos a partir de xerogeles de resorcinol/formaldehido con porosidad controlada.
2. Diseño de porosidades jerarquicas en los carbones de (1), mediante adición de surfactantes, y precursores compuestos (resina+latex y resina+grafeno).
3. Correlación de porosidades y texturas de carbones amorfos no activados con la capacidad DCE. Interpretación microscópica mediante modelado molecular.
4. Introducción de efectos seudofaradaicos por funcionalización de las resinas precursoras con precursores apropiados (presentan heteroatómos N,etc.).
5. Preparación de híbridos mediante la incorporación de MnO2 en los carbones amorfos (1) y (2).
6. Estudio del confinamiento de la PANI en los carbones amorfos anteriores y caracterización de sus prestacinones como electrodos seudofaradaicos.

 

 

Fig. 2 Electrodos de carbon poroso preparados en LEQCAN (2014)

 

Subproyecto  CSIC (CIN2  ICMAB)

1. Estudios de la modificación superficial de los carbones preparados en (1) y (2) con objeto de favorecer la nucleación o anclaje de especies inorgánicas.
2. Desarrollo de materiales híbridos basados en polioxometalatos inorgánicos y matrices de carbono, bien carbones porosos nanoestructurados preparados en (1) y modificados en (2) o bien carbones grafíticos y grafeno. Estos últimos procederán tanto de preparaciones en el CIN2 como de la empresa Graphenea (EPO)
3. Caracterización química y electroquímica de los materiales de carbono y de sus híbridos con MnO2 (5) y polioxometalatos
4. Formación y ensayos de electrodos basados en los materiales carbonosos (1 y 2) y funcionalizados en (7) en baterías litio-aire
5. Formación y ensayos de electrodos basados en los materiales híbridos (4) (8) en supercondensadores simétricos y su combinación con electrodos carbonosos (1 y 2) en supercondensadores asimétricos.

Fig. 3 Electrodos de carbon poroso tras diferente número de procesos de carga y descarga en una batería de ion Li/O₂  preparados en el ICMB (2013).