supercapacitores electroquÍmicos para...
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Tema:
SUPERCAPACITORES ELECTROQUÍMICOS PARA ALMACENAR ENERGíA
FABRICADOS CON MATERIALES DE DESECHO
24-26 enero 2018
Villahermosa, tabasco
Parque Tabasco Dora Maria
“Sustentabilidad Energética”
Abasto, Logística y Distribución
de
Hidrocarburos, Petrolíferos Y Petroquímicos
DRA. EBELIA DEL ANGEL MERAZ
Universidad Juárez Autónoma de Tabasco
1er Congreso y Exposición
INTRODUCCIÓN
IMPORTANCIA DEL
ALMACENAMIENTO DE ENERGIA
la generación de energía usando
fuentes renovables.
Tiene un comportamiento aleatorio:
la velocidad del viento sobre las
turbinas eólicas, la radiación solar
en las fuentes fotovoltaicas, la
altura de las olas del mar en las
fuentes mareomotrices, entre otro
Pero la disponibilidad aleatoria de la energía
primaria da como consecuencia períodos con
exceso y deficiencia de energía.
Esto ha llevado a que se desarrollen
diferentes formas para “Almacenar la
energía” sobrante a fin de utilizarlo cuando
sea necesario
3
TIPOS DE ALMACENAMIENTO
El principal componente de la pared celular de las plantas, esta biomasa
producida por la fotosíntesis es la fuente de carbono renovable más
prometedora para solucionar los problemas actuales de energía y
materias primas.
Por otro lado, la producción mundial de la biomasa se estima sea de
146 billones de toneladas métricas que comprende en su mayoría el
crecimiento de plantas silvestres
10 a 50 billones en base seca
La biomasa esta en cuarto lugar como fuente de energía y proporciona
el 14% de la energía que el mundo necesita
De los principales componentes de los materiales lignocelulósicos,
La celulosa es uno de los biopolímeros más abundantes en la naturaleza y su biosíntesis,
química y su estructura aun permanecen activos como campo de investigación.
Proyectos sostenibles basados en la química verde, lo que
ha conducido a la generación de materiales; celulósicos
novedosos y materiales compuestos que incluyen materiales
celulósicos y whiskeres de celulosa, así como también, la
generación de energía por medio de la obtención del
bioetanol , bioaceites o el uso integral del material
lignocelulósico.
Además, después de la celulosa, la lignina es la segunda fuente renovable
más abundante que existe en la naturaleza y es por esta razón que se han
desarrollado usos alternativos para aprovechar este subproducto
agroindustrial, tal como la generación de fibras de carbón para la
industria de los materiales compuestos .
I. INTRODUCCIÓN.
Los supercapacitores son sistemas de almacenamiento de energía electroquímica más prometedores que las baterías recargables. Estos sistemas han llamado la atención de investigadores debido a sus diversas aplicaciones en los campos de transporte, aeroespacial, defensa nacional, información y tecnología de comunicación. (Xie et al., 2016).
El material del electrodo es uno de los principales factores
para determinar el rendimiento de los supercapacitores
(Liutauras Marcinauskas, Zydrunas Kavaliauskas, & Vitas
Valincius, 2012).
El procesamiento del café a menudo genera cantidades significativas de residuos sólidos (Clarke R J.Coffee,in B.Caballero, 2003).
De acuerdo a la “Organización Mundial del Café” (2015), se calcula que la producción total de café en los años 2013- 2014 fue de 146,8 millones de sacos de 60 kg.
Los residuos de la industria del café exige una gran cantidad de oxígeno a degradarse debido a la presencia de material orgánico (M.A.Silva,et al. 1998).
El café.
La industria azucarera es una actividad relevante para el país, el
cual cuenta con 62 ingenios. Tabasco cuenta con 2 ingenios donde
diariamente se desechan de 1200 a 1400 toneladas de bagazo de
caña de azúcar.
Figura . Bagazo de caña de azúcar.
El bagazo de caña en la actualidad representa un problema de
contaminación para el medio ambiente. Por lo antes descrito este trabajo
esta orientado a la preparación de carbón activado a partir del bagazo de
caña de azúcar en Tabasco no existen estudios de carbón activado a partir
de este material orgánico, para la elaboración de supercapacitores.
Figura . Desecho de Bagazo de caña de azúcar.
El carbón activado: es un producto que
posee una estructura cristalina
reticular y es extremadamente poroso.
Figura . Carbón activado
Granular
Polvo
Figura . Carbón activado
granular
Figura . Carbón activado
en polvo
Figura 6. Formas de carbón activado
PROPIEDADES DEL CARBÓN ACTIVADO
COMPOSICIÓN QUÍMICA
75-80 % C 5-10 % Cenizas 60% Oxigeno
0.5% Hidrógeno
ESTRUCTURA FISICA
Macroporos
Mesoporos
Microporos
Figura 7. Diámetro de poros.
Carbón amorfo
susceptible de activación
Carbón mineral
Antracitas
Hulla bituminosa
Lignito
Turba
Carbón vegetal
Madera
Cáscara de coco
Bagazo
Hueso de frutas
Tipos de activación
Activación química
Impregnación
Carbonización
Lavado
Secado
Activación física
Carbonización
Gasificación
Secado
CARBÓN ACTIVADO Es utilizado como adsorbentes, tratamiento de aguas residuales, catálisis, entre otros (Lamine et al., 2014a).
Los métodos : activación física y activación química.
Materiales precursores:
madera, huesos, cáscara de semillas de frutos, entre otros.
Polvo
Granular
ANTECEDENTES. REFERENCIA CONSIDERACIONES RESULTADOS CONCLUSIONES
Rufford, Hulicova-
Jurcakova, Zhu, & Lu, 2008)
Carbón activado se produce
a partir de residuos de café
molido con un tratamiento
con ZnCl.
1019 m2/g y 1840 m2/g.
Capacitancia 368 fFg
El carbón activado
elaborados de residuos de
café molido muestran
extraordinaria capacitancia
electroquímica y un buen
desarrollo de porosidad.
(Rufford, Hulicova-
Jurcakova, Khosla, Zhu, &
Lu, 2010)
Carbón activado a partir de
caña de azúcar mediante
activación química a 900ºC
y ZnCl2 como agente de
activación.
1000 m2/g
399 F/g.
Los carbones activados
exhiben excelentes
propiedades
electroquímicas observados
en supercapacitores
electroquímicos usando
como electrolito 1M de
H2SO4.
(Li et al., 2011) Carbón activado utilizando
como precursor cáscara de
la semilla de girasol y
agente de impregnación
KOH.
619-2585 m2/g
171-311 F/g
Los resultados muestran
que la estructura de poros
de los carbones está
estrechamente relacionada
con la temperatura de
activación y la dosificación
de KOH.
(Wang, Wen, Hsu, & Yao,
2016)
Residuos de granos de
café-
700ºC utilizando KOH como
agente de impregnación.
571.74-888.78 m2/g.
175 F/g
Residuos de café son
abundantes día con día, y
se pueden utilizar para
generar materiales de
electrodos para su uso en
supercapacitores.
MÉTODOLOGIA.
Método
químico
Materia
prima
Secado
Impregnación Pirólisis Lavado
Secado
Muestras
Carbón
Activado
CARACTERIZACIÓN DEL CARBÓN ACTIVADO.
Microscopía Electrónica de
Barrido.
1
Espectrometría de infrarrojo con
Transformada de Fourier (FTIR).
2
Difracción de Rayos X.
3
Determinación de área superficial
(Brunauer-Emmett-Teller).
4
MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM).
ESPECTROFOTOMETRÍA INFRARROJO.
Las muestras se mezclaron con KBr (Sigma Aldrich grado FTIR) a una concentración de 10% p/p y se prensaron para la obtención de pastillas. Posteriormente se analizaron en un espectrómetro FT-IR Shimadzu Mod. IRAFfinity-1, en un rango de 340-4700 cm-
1, a una resolución de 2 cm-1 y 40 escaneos. Los datos fueron procesados en el Software IRsolutionTM.
DIFRACCIÓN DE RAYOS X.
• CONDICIONES:
• Voltaje del tubo 25KV
• Corriente de 20mA
• Paso de medición de 0.02°
• Tiempo de paso de 1 segundo
• Rango de número de pasos de 5-90°.
DETERMINACIÓN DEL ÁREA SUPERFICIAL.
Equipo Micromeritics TriStar II Las medidas se realizaron a la temperatura normal de ebullición del Nitrógeno a 77 K.
PREPARACIÓN DE LOS ELECTRODOS.
Método químico
% en peso de carbón
activado a partir de
residuos de café
% en peso de carbón black.
% en peso de polyvinylidene
-flouride (PVDF).
solución de 1-metil-2-
pirrolidinona.
ELABORACIÓN DE LAS PASTILLAS.
EVALUACIÓN DE LOS SUPERCAPACITORES.
La evaluación
electroquímica de la
celda elaborada se
llevó a cabo utilizando
el equipo Potenciostato
AUTOLAB 11
PRUEBAS ELECTROQUÍMICAS.
Voltametría Cíclica
1
Carga- Descarga Galvanostática
2
Microscopía electrónica de barrido.
Técnica de Espectroscopia dispersiva de
energía (EDS).
SEM de (a) Café nuevo sin tratamiento y
(b) Residuo de café sin tratamiento.
DIFRACCIÓN DE RAYOS X.
Patrón de DRX (KOH) Patrón de DRX (K2CO3)
2θ Plano Compuesto o elemento
10.83°
26.296°
42.5°
40.35°
20.31°
(001)
(002)
(100)
(020)
(110)
Óxido de Grafeno
Carbono en forma Grafito
Carbono tipo Grafeno
Carbono C60
Carbono Hexagonal ( Grafito)
Muestra SBET (m2/g) Dp(Å) Dp(nm) Vp(cm3/g)
CA-24-600°C KOH 53.9493 247.633 24.76 0.005051
CA-48-600°C KOH 135.4896 448.650 44.87 0.002210
CA-24-700°C KOH 495.3202 53.085 5.31 0.031988
CA-48-700°C KOH 629.4459 48.749 4.87 0.039290
CA-24-600°C K2CO3 138.1942 356.179 35.62 0.000462
CA-48-600°C K2CO3 129.1609 339.007 33.90 0.001853
CA-24-700°C K2CO3 454.3005 303.423 30.34 0.003034
CA-48-700°C K2CO3 644.8701 41.408 4.14 0.035474
Las muestras
presentan
mesoporos pues
su diámetro se
encuentra entre el
rango de >2-50
nanómetros.
Parámetros texturales obtenidos de la absorción
de N2 a 77 K:
Material del electrodo
Agente
impregnan
te
Electrolito Área superficial
(m2/g)
Capacitancia
(F/g) Ref.
Residuos de granos de
café H3PO4 2 M H2SO4 439.51 – 450.29 23.74 – 123.97 (Maldonado, 2013)
Residuos de granos de
café ZnCl2 2 M H2SO4 86.42 – 223.83 16.77 – 123.97 (Maldonado, 2013)
Cáscara de coco H3PO4 1 M H2SO4 14.83 – 682.97 11.46 – 281.37 (Reyes & Collado,
2015)
Residuos de granos de
café KOH 2 M H2SO4 53.95 – 629.45 23.93 – 204.81 Este trabajo
Residuos de granos de
café K2CO3 2 M H2SO4 129.16 – 644.87 82.36 – 275.51 Este trabajo
Resultados de las capacitancias
específicas:
Mayor tiempo de
impregnación y temperatura
de calcinación, resulta en una
mayor área superficial.
A mayor área superficial, se
observa mayor capacidad de
almacenamiento en las celdas
electroquímicas.
CONCLUSIONES.
SEM muestra la
morfología
irregular en forma
de láminas del
café nuevo y del
residuo de café
sin tratar.
EDS muestra los
elementos
presentes: Café
nuevo y residuo
sin tratar: C,O y K.
Muestras de
carbón activado:
C, O, S y K.
DRX determinó
las señales
pertenecientes a
compuestos
formados por C,
O, H, N y K.
Las muestras
presentan
mesoporos y las
isotermas
encontradas son
del tipo IV con
histéresis tipo H4,
lo cual es
característica del
carbón activado.
Se obtuvieron
áreas superficiales
entre 53.95 m2/g –
644.87 m2/g, los
cuales se
consideran
aceptables para
elaborar un
supercapacitor.
Los mejores resultados
de capacitancia son los
pertenecientes a las
muestras con un tiempo
de reposo de 48 h y
700°C (para las
muestras de KOH y
K2CO3), siendo los
valores: 204.81 F/g y
275.51 F/g
respectivamente.
La VC nos permitió
observar la morfología
de la curva que da una
idea del mecanismo de
almacenamiento y
provee los datos para la
técnica de carga-
descarga.
Ambos agentes de
impregnación
proporcionaron
propiedades similares,
sin embargo fue
ligeramente superior el
K2CO3, puesto que se
obtuvieron mayores las
áreas superficiales.
- Mayor tiempo de
impregnación y mayor
temperatura de
calcinación presenta
una mayor área
superficial.
- Mayor área superficial
presenta una mayor
capacitancia.
El
supercapacitor
sintetizado
puede
almacenar
energía donde
se requieran
mínimas
cantidades de
energía
renovable.
REFERENCIAS.
Abioye, A. M., & Ani, F. N. (2015a). Recent development in the production of activated carbon
electrodes from agricultural waste biomass for supercapacitors: A review. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 52, 1282–1293. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.129
Abioye, A. M., & Ani, F. N. (2015b). Recent development in the production of activated carbon
electrodes from agricultural waste biomass for supercapacitors: A review. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 52, 1282–1293. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.129
Abioye, A. M., & Ani, F. N. (2015c). Recent development in the production of activated carbon
electrodes from agricultural waste biomass for supercapacitors: A review. Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 52, 1282–1293. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.07.129
Arya, M, & Rao, L. J. M. (2007). An impression of coffee carbohydrates. In Food Science and
Nutrition, 47, 51–57.
Aworn, A., Thiravetyan, P., & Nakbanpote, W. (2009). Preparation of CO2 activated carbon from
corncob for monoethylene glycol adsorption. Colloids Surf., 19–25.
B.E.Conway, V.Birss, & J.Wojtowicz. (1997). The role and utilization of pseudocapacitance for
energy storage by supercapacitors. Journal of Power Sources, 66, 1–14.