Análisis Comparativo de Supercapacitores Simétricos Nanofibras Carbono y Carbón Activado en Electrolito Acuoso

Introducción

Supercapacitores emergen dispositivos almacenamiento energía pivote por alta densidad potencia y larga vida ciclado, ideales vehículos eléctricos, electrónica portátil, aplicaciones herramientas potencia [1]. Elección material electrodo determina si dispositivo prioriza potencia o energía: materiales alta conductividad favorecen potencia, mientras alta área superficial favorecen energía [2]. Rendimiento electrodo depende composición material, espesor, área superficial, distribución tamaño poro, grupos funcionales superficiales [3]. Materiales carbono dominan campo por costo-efectividad, versatilidad morfológica, estabilidad química/térmica [4-7]. Nanofibras carbono (CNFs) ofrecen morfología tubular única combinando baja resistividad alta porosidad, mientras carbón activado (AC) proporciona porosidad excepcional, abundancia, estabilidad ciclado [8-9].

Fabricación electrodos típicamente incorpora aglutinantes PVDF, PTFE, PVDC proporciones 5–10 % p/p mantener integridad estructural [10-13]. Sin embargo, aglutinantes pueden ocluir porosidad y aumentar resistividad eléctrica, reduciendo capacitancia. Selección electrolito también influye rendimiento; electrolitos acuosos permiten ventana potencial estable hasta 1,0 V y permiten iones pequeños acceder micro- y mesoporos, mientras electrolitos orgánicos extienden ventana ~2,7 V pero menos ambientalmente benignos [14]. Capacitancia doble capa eléctrica (EDL) proporcional área superficial accesible e inversamente proporcional distancia ión-poro, guiando dos estrategias primarias mejora: aumentar área superficial y reducir separación ión-poro [15].

Este estudio ofrece comparación cara-a-cara supercapacitores simétricos AC y CNF, empleando idéntico contenido aglutinante PVDF (7 % p/p) aislar efectos material.

Métodos/Experimental

Preparación Electrodos AC y CNF

Celdas simétricas fabricadas AC (Carbopal CCP80, Donau Carbon) y CNFs (grafíticas helicoidales, 20–80 nm diámetro, >30 µm longitud, 6 % Ni, 10⁻² Ω cm resistividad). Ambos materiales mezclados 7 % p/p PVDF aglutinante 15 mL acetona usando molino planetario bolas (Pulverisette 7) 500 rpm 30 min. Suspensión agitada mecánicamente 60 min, sonicada 30 min, secada 70 °C 60 min. Discos (10 mm diámetro) prensados 10 toneladas. Masas electrodo finales 0,018 g (CNF) y 0,020 g (AC).

Caracterización Superficial

Adsorción nitrógeno 77 K (Micromeritics TriStar 3000) cuantificó área BET y distribución tamaño poro. Muestras desgasificadas 100 °C 4 h. Análisis BET realizado 0,02–0,2 P/P₀; volumen poro total tomado P/P₀≈0,9932. Parámetros microporos derivados método t-plot, mientras métodos BJH y MP proveyeron datos meso- y macro-poros CNF y AC respectivamente.

Caracterización Morfológica

Microscopía electrónica barrido (SEM) y transmisión (TEM, Philips Tecnai G2 F20, 300 kV) evaluaron morfología. Muestras dispersadas etanol, sonicadas 15 min, depositadas rejillas cobre recubiertas carbono.

Caracterización Electroquímica

Rendimiento electroquímico evaluado celdas dos electrodos Swagelok usando potenciostato Gamry 600 y electrolito 6 M KOH. Voltametría cíclica (CV), carga-descarga galvanoestática (GCD), espectroscopía impedancia electroquímica (EIS) empleadas.

Resultados y Discusión

Caracterización Morfológica

Imágenes SEM y TEM (Fig. 1) confirman integración efectiva aglutinante y morfologías distintas: CNFs aparecen tubos cilíndricos, mientras AC muestra partículas esféricas interconectadas. Ambos exhiben superficies lisas y distribución homogénea partículas.

Imágenes SEM y TEM (inset) a CNFs y b AC

Textura Poros CNFs y AC

Isotermas adsorción/desorción N₂ (Fig. 2) revelan arquitecturas poro distintas. CNFs exhiben isotipo II con pequeño ciclo histéresis, indicativo mesoporosidad; distribución poros: 59 % mesoporos (2–50 nm), 18 % microporos (0,5–2 nm), 23 % macroporos (>50 nm). AC muestra isotipo I dominado microporos: 55 % ultramicroporos (0,2–0,5 nm), 33 % supermicroporos (0,5–2 nm), 12 % mesoporos. Áreas BET 83 m² g⁻¹ (CNF) y 1042 m² g⁻¹ (AC). Distribuciones tamaño poro (Fig. 3) confirman mesoporos CNFs centrados ~3,4 y ~7,1 nm, mientras poros AC agrupan ~0,47 nm.

Isotermas adsorción/desorción nitrógeno, a CNFs y b AC. Área BET c CNFs y d AC

Distribución tamaño poro. a CNFs método BJH. b AC método MP

Comportamiento Electroquímico CNFs y AC

Curvas CV (Fig. 4) muestran formas cuasi-rectangulares ambos materiales bajas velocidades barrido, confirmando comportamiento doble capa. AC produce corrientes mayores y retiene rendimiento hasta 500 mV s⁻¹, mientras capacitancia CNF cae 52 a 32 F g⁻¹ mismo rango. Perfiles GCD (Fig. 5) simétricos, CNF exhibe caída IR mínima (0,28 Ω) versus AC (3,72 Ω). Capacitancia específica GCD: CNF—23,8 F g⁻¹ (0,23 A g⁻¹) a 19 F g⁻¹ (2 A g⁻¹); AC—159 F g⁻¹ (0,5 A g⁻¹) a 139 F g⁻¹ (2,5 A g⁻¹).

a, b CVs CNFs y AC respectivamente a 5, 10, 20, 50, 100, 150, 500 mV s⁻¹; c, d comparación capacitancia específica diferentes velocidades barrido; e, f CVs CNFs y AC respectivamente 1er a 100º ciclo

a Curvas GCD diferentes densidades corriente CNFs. b Curvas GCD diferentes densidades corriente AC

Análisis Ragone (Fig. 6b) muestra CNF alcanza potencia específica pico 1860 W kg⁻¹ a 2 Wh kg⁻¹, mientras AC alcanza 1650 W kg⁻¹ a 5,5 Wh kg⁻¹. Densidades energía: CNF—2,3 Wh kg⁻¹; AC—18,1 Wh kg⁻¹. Ambos electrodos retienen >95 % capacitancia tras 2500 ciclos (Fig. 6c).

a Comparación capacitancia específica curva descarga GCD. b Gráfico Ragone potencia específica vs energía específica CNFs y AC. c Estabilidad ciclado CNFs y AC

EIS (Fig. 7a) confirma bajo ESR CNF (0,28 Ω) versus AC (3,72 Ω). CNF también muestra pendiente baja-frecuencia más pronunciada, indicando comportamiento capacitivo superior. Capacitancia específica derivada impedancia (Fig. 7b) alinea valores CV: 36 F g⁻¹ (CNF) y 284 F g⁻¹ (AC) a 0,1 Hz.

a Diagrama Nyquist CNFs y AC. b Comparación Csp calculada EIS.

Análisis constante tiempo (Fig. 8) muestra τ₀ AC a 5 kHz y τ₀ CNF a 2 Hz, indicando relajación más rápida AC. Gráficos desfase fase (Fig. 8c) revelan comportamiento capacitivo cerca-ideal bajas frecuencias ambos materiales.

a Parte real y b imaginaria función log frecuencia y c desfase fase función frecuencia AC y CNFs

En general, alta área BET AC y red ultramicroporosa producen capacitancia específica y densidad energía superiores, mientras menor ESR CNF y estructura mesoporosa brindan mayor densidad potencia.

Conclusiones

Electrodos CNF y AC fabricados condiciones idénticas evaluados supercapacitores simétricos electrolito acuoso. AC área BET 1042 m² g⁻¹, dominada ultramicroporos, entrega capacitancia específica 334 F g⁻¹ y energía específica 18,1 Wh kg⁻¹. CNF área 83 m² g⁻¹ y esqueleto mesoporoso proveen capacitancia 52 F g⁻¹, potencia 1860 W kg⁻¹, ESR 0,28 Ω. Consecuentemente, AC ideal aplicaciones denso-energía, mientras CNF destaca alta potencia. Ambos materiales exhiben excelente estabilidad ciclado (>95 % retención 2500 ciclos).