Hybrid Electrode Materials Based on Polyoxometalates for Their First-Time Application in Organic Electrolyte Supercapacitors
Els supercondensadors, també coneguts com a condensadors electroquímics, són dispositius d'emmagatzematge d'energia que presenten una alta densitat de potència i un cicle de vida perllongat. No obstant això, la seva densitat denergia és relativament baixa i necessita ser millorada. Els elè...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2022 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:271776 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/271776 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Supercondensador Supercapacitor Polioxometalato Polyoxometalate Electròlits orgànics Electrolitos orgánicos Organic electrolyte Ciències Experimentals |
| Sumario: | Els supercondensadors, també coneguts com a condensadors electroquímics, són dispositius d'emmagatzematge d'energia que presenten una alta densitat de potència i un cicle de vida perllongat. No obstant això, la seva densitat denergia és relativament baixa i necessita ser millorada. Els elèctrodes híbrids que combinen materials capacitius de doble capa elèctrica i materials amb reaccions redox brinden un enfocament útil per millorar la densitat denergia. Els polioxometalatos (POM) són agregats moleculars d'òxids metàl·lics de mida nanomètrica (normalment de V, Mo o W) i poden dur a terme reaccions redox reversibles i ràpides. Són molt adequats per a la fabricació de materials híbrids, proporcionant més capacitat. D'altra banda, l'ús d'electròlits orgànics i líquids iònics permet un voltatge de treball més gran i per tant una major densitat energètica. Aquesta tesi se centra en el desenvolupament de materials híbrids basats en POMs com elèctrodes de supercondensadors amb electròlits orgànics, un objectiu que s'assoleix amb èxit per primera vegada amb aquest treball. El Capítol 3 presenta els esforços per integrar sals o àcids inorgànics de POM, així com derivats orgànics de POM en carbó activat (AC) com a materials híbrids per a la creació de supercondensadors d'electròlits orgànics simètrics. A diferència dels àcids o les sals inorgàniques, els derivats de POM orgànic-inorgànics (amb sals de tetraalquilamoni) mostren una capacitància millorada (+36 % de capacitància volumètrica), fet que demostra que els POM també poden millorar el rendiment capacitiu de materials carbonosos en electròlits orgànics. En una segona etapa de la tesi hem desenvolupat nous materials híbrids basats en POM de complexitat creixent. Així, el Capítol 4 mostra diversos intents d'incorporar POM a Ti3C2Tx (MXene). L'ancoratge directe assistit per sonicació només pot carregar quantitats molt petites (<1 at%) de POM a MXene. Els cations d'amoni quaternari amplien la distància entre capes de MXene i també serveixen com a llocs d'ancoratge per als POM, fet que permet el creixement in situ de materials híbrids MXene/POM amb una alta concentració de POMs. Els cations d'amoni quaternari més petits, que no poden expandir prou la distància entre capes de MXene, van donar lloc al creixement de vidres de POM fora de l'estructura laminar del MXene. Aquest tipus de materials híbrids MXene/POM mostra una estabilitat electroquímica deficient (<20% després de 20 cicles). D'altra banda, els cations de cetiltrimetilamoni (CTA) van expandir la distància entre capes al voltant de 2 nm i van permetre la intercalació de POM entre les capes atòmiques de MXene, exhibint una estabilitat electroquímica superior (>98% després de 100 cicles). No obstant això, el rendiment capacitiu d'aquests materials híbrids binaris MXene/POM no millora gaire a causa de l'alt pes molecular dels POM utilitzats ([PW12O40]3-). Per tant, es va desenvolupar una nova estratègia d'hibridació. El capítol 5 descriu el nostre treball sobre un disseny racional de materials híbrids triples MXene/AC/POM, que combinen els avantatges de cada component i mostren efectes sinèrgics. Es van obtenir materials híbrids triples MXene/AC/POM ben equilibrats, amb capacitància gravimètrica i volumètrica millorada. Finalment, el capítol 6 tracta sobre la integració d'electròlits en forma de gels polímèrics amb POMs i amb elèctrodes híbrids basats en POMs. Es van fabricar supercondensadors simètrics amb elèctrodes híbrids AC/POM i electròlit de gel polímèric orgànic (TEABF4 1 M en acetonitril/PVDF-HFP), superant els supercondensadors d'electròlit orgànic amb configuració convencional (electròlit líquid i separadors comercials). Aquest rendiment millorat es va assignar a la combinació de capacitat addicional de l'elèctrode híbrid i la integració adequada de l'electròlit de gel que forma una ruta coherent al llarg dels elèctrodes i l'electròlit/separador de polímer de gel. |
|---|