Desarrollo de compuestos de óxidos mixtos para su aplicación en sistemas de almacenamiento de energía

El aumento de la demanda energética y los problemas asociados al uso de combustibles fósiles han incentivado la búsqueda de tecnologías que permitan el aprovechamiento de fuentes renovables y el uso eficiente de la energía. En ese sentido, se ha promovido el desarrollo de sistemas híbridos de a...

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Autor principal: Ponce, Marcelo Federico
Formato: Artículo revista
Lenguaje:Español
Publicado: Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. 2024
Materias:
Sistemas de almacenamiento de energía
Caracterización fisicoquímica de materiales
Compuestos de óxidos
Energía renovable
Tesis de doctorado
Acceso en línea:Ponce, M. F.(2024). Desarrollo de compuestos de óxidos mixtos para su aplicación en sistemas de almacenamiento de energía [Tesis de doctorado]. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, Argentina.
Aporte de:
Repositorio Institucional de Acceso Abierto (RIDAA) de Universidad Nacional del Centro
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description El aumento de la demanda energética y los problemas asociados al uso de combustibles fósiles han incentivado la búsqueda de tecnologías que permitan el aprovechamiento de fuentes renovables y el uso eficiente de la energía. En ese sentido, se ha promovido el desarrollo de sistemas híbridos de almacenamiento de energía, en los cuales los supercapacitores cumplen un rol muy importante. Estos se destacan por su alta densidad de potencia y su capacidad de soportar miles de ciclos de carga-descarga, aportando energía al sistema durante los picos de demanda y protegiendo a las baterías de sobrecargas.Existen numerosos tipos de supercapacitores con diferentes geometrías, tamaños, materiales de electrodo y electrolitos. El material de electrodo define el mecanismo de almacenamiento de carga, y las investigaciones se han enfocado en el desarrollo de materiales más eficientes para aumentar la capacitancia específica, reduciendo el peso y el volumen de los dispositivos. La tendencia actual es la síntesis de materiales compuestos que combinen mecanismos capacitivos de doble capa con pseudocapacitancia, utilizando métodos de síntesis amigables con el medioambiente.Entre los materiales pseudocapacitivos más estudiados se encuentran los polímeros conductores y los óxidos de metales de transición, mientras que los materiales carbonososson los más conocidos por su capacitancia de doble capa. En esta Tesis se caracterizaron óxidos mixtos previamente sintetizados y estudiados como material catalítico, teniendo en cuenta que sus características como las valencias mixtas, las vacancias de oxígeno y la superficie específica podrían aportar buenas propiedades de almacenamiento de carga. Se analizaron óxidos de cerio y óxidos de cerio dopado con Ni, y perovskitas dobles La2BMnO6(B = Co, Cu, Ni). También se sintetizaron y caracterizaron perovskitas dobles La2-xSrxCuMnO6(x = 0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 1,0), para estudiar el efecto de la sustitución del Sr en las propiedades, y la ferrita CoFe2O4y el compuesto CoFe2O4-C, para analizar el efecto del agregado de carbono. Además, se sintetizó carbón activado como material capacitivo, el cual fue obtenido con un método sustentable a partir de residuos de la poda de olivo.Los materiales se caracterizaron mediante técnicas fisicoquímicas como microscopía electrónica, difracción de rayos X, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier, análisis termogravimétrico e isotermas de adsorción, y mediante técnicas electroquímicas en una configuración de tres electrodos. Se obtuvieron capacitancias de 8,94 y 9,96 F/g para los óxidos previamente sintetizados Ce0,85Ni0,15O2y La2CoMnO6, respectivamente. Entre los materiales sintetizados en esta Tesis, se obtuvieron valores máximos de 288, 548,1 y 405,8 F/g para el óxido La1,8Sr0,2CuMnO6, el compuesto CoFe2O4-C y el carbón activado de poda de olivo, respectivamente. Estos tres últimos fueron utilizados para construir supercapacitores de estado sólido, utilizando una membrana polimérica de PVA/KOH como separador/electrolito.Se construyeron 6 supercapacitores simétricos de doble capa con el carbón activado yse optimizó la síntesis de la membrana separadora. Además, se ensamblaron 12 supercapacitores híbridos, simétricos y asimétricos, combinando en diferentes proporciones el carbón activado con la perovskita La1,8Sr0,2CuMnO6o con el compuesto CoFe2O4-C. Losdispositivos se caracterizaron en una configuración de dos electrodos, y se obtuvieron capacitancias máximas de 1,15 F (53,3 F/g),1,62 F (43,2 F/g) y 2,23 F (69,8 F/g) para supercapacitores simétricos de carbón activado, perovskita con carbón activado y compuesto ferrita-carbono con carbón activado, respectivamente.Se realizó la simulación de un sistema híbrido formado por una batería y un banco de supercapacitores, diseñado a partir de los dispositivos desarrollados. Se utilizó un modelo de simulación previamente aplicado a un auto eléctrico, modificando la demanda de potencia en función de los requerimientos de un robot autónomo de adquisición de datos. Los resultados obtenidos indican que los supercapacitores basados en óxidos mixtos y materiales carbonosos, desarrollados en esta Tesis, podrían utilizarse en sistemas híbridos para aplicaciones tecnológicas como la robótica, la movilidad eléctrica y elalmacenamientode energías renovables.
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Estos se destacan por su alta densidad de potencia y su capacidad de soportar miles de ciclos de carga-descarga, aportando energía al sistema durante los picos de demanda y protegiendo a las baterías de sobrecargas.Existen numerosos tipos de supercapacitores con diferentes geometrías, tamaños, materiales de electrodo y electrolitos. El material de electrodo define el mecanismo de almacenamiento de carga, y las investigaciones se han enfocado en el desarrollo de materiales más eficientes para aumentar la capacitancia específica, reduciendo el peso y el volumen de los dispositivos. La tendencia actual es la síntesis de materiales compuestos que combinen mecanismos capacitivos de doble capa con pseudocapacitancia, utilizando métodos de síntesis amigables con el medioambiente.Entre los materiales pseudocapacitivos más estudiados se encuentran los polímeros conductores y los óxidos de metales de transición, mientras que los materiales carbonososson los más conocidos por su capacitancia de doble capa. En esta Tesis se caracterizaron óxidos mixtos previamente sintetizados y estudiados como material catalítico, teniendo en cuenta que sus características como las valencias mixtas, las vacancias de oxígeno y la superficie específica podrían aportar buenas propiedades de almacenamiento de carga. Se analizaron óxidos de cerio y óxidos de cerio dopado con Ni, y perovskitas dobles La2BMnO6(B = Co, Cu, Ni). También se sintetizaron y caracterizaron perovskitas dobles La2-xSrxCuMnO6(x = 0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 1,0), para estudiar el efecto de la sustitución del Sr en las propiedades, y la ferrita CoFe2O4y el compuesto CoFe2O4-C, para analizar el efecto del agregado de carbono. Además, se sintetizó carbón activado como material capacitivo, el cual fue obtenido con un método sustentable a partir de residuos de la poda de olivo.Los materiales se caracterizaron mediante técnicas fisicoquímicas como microscopía electrónica, difracción de rayos X, espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier, análisis termogravimétrico e isotermas de adsorción, y mediante técnicas electroquímicas en una configuración de tres electrodos. Se obtuvieron capacitancias de 8,94 y 9,96 F/g para los óxidos previamente sintetizados Ce0,85Ni0,15O2y La2CoMnO6, respectivamente. Entre los materiales sintetizados en esta Tesis, se obtuvieron valores máximos de 288, 548,1 y 405,8 F/g para el óxido La1,8Sr0,2CuMnO6, el compuesto CoFe2O4-C y el carbón activado de poda de olivo, respectivamente. Estos tres últimos fueron utilizados para construir supercapacitores de estado sólido, utilizando una membrana polimérica de PVA/KOH como separador/electrolito.Se construyeron 6 supercapacitores simétricos de doble capa con el carbón activado yse optimizó la síntesis de la membrana separadora. Además, se ensamblaron 12 supercapacitores híbridos, simétricos y asimétricos, combinando en diferentes proporciones el carbón activado con la perovskita La1,8Sr0,2CuMnO6o con el compuesto CoFe2O4-C. Losdispositivos se caracterizaron en una configuración de dos electrodos, y se obtuvieron capacitancias máximas de 1,15 F (53,3 F/g),1,62 F (43,2 F/g) y 2,23 F (69,8 F/g) para supercapacitores simétricos de carbón activado, perovskita con carbón activado y compuesto ferrita-carbono con carbón activado, respectivamente.Se realizó la simulación de un sistema híbrido formado por una batería y un banco de supercapacitores, diseñado a partir de los dispositivos desarrollados. Se utilizó un modelo de simulación previamente aplicado a un auto eléctrico, modificando la demanda de potencia en función de los requerimientos de un robot autónomo de adquisición de datos. Los resultados obtenidos indican que los supercapacitores basados en óxidos mixtos y materiales carbonosos, desarrollados en esta Tesis, podrían utilizarse en sistemas híbridos para aplicaciones tecnológicas como la robótica, la movilidad eléctrica y elalmacenamientode energías renovables. The increase in energy demand and the problems associated with using fossil fuels have encouraged the search for technologies that allow the use of renewable energy sources and the efficient use of energy. In this sense, the development of hybrid energy storage systems has been promoted, in which supercapacitors play a crucial role. Supercapacitors are characterized by their high power density and their ability to withstand thousands of charge-discharge cycles, providing energy to the system during peak demand and protecting the batteries from overcharging.Several types of supercapacitors have different geometries, sizes, electrode materials and electrolytes. The electrode material defines the charge storage mechanism, and research has focused on the development of more efficient materials to increase the specific capacitance, reducing the weight and volume of the devices. The current trend is the synthesis of composite materials that combine double-layer capacitive mechanisms with pseudocapacitance, using environmentally friendly synthesis methods. Among the most studied pseudocapacitive materials are conductive polymers and transition metal oxides, while carbonaceous materials are best known for their double-layer capacitance. In this Thesis, mixed oxides previously synthesized and studied as catalytic material were characterized, considering that their characteristics as mixed valences, oxygen vacancies and specific surface area could provide good charge storage properties. Cerium oxides, Ni-doped cerium oxides, and La2BMnO6double perovskites(B = Co, Cu, Ni) were analyzed. La2-xSrxCuMnO6 double perovskites (x = 0.0; 0.2; 0.4; 0.6; 1.0) were also synthesized and characterized to study the effect of Sr substitution on the properties, and ferrite CoFe2O4 and the CoFe2O4-C composite, to analyze the effects of carbon addition. In addition, activated carbon was synthesized as a capacitive material, which was obtained with a sustainable method from olive pruning waste.The materials were characterized by physicochemical techniques such as electron microscopy, X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, thermogravimetric analysis and adsorption isotherms, and electrochemical techniques in a three-electrode configuration. Capacitance values of 8.94 and 9.96 F/g were obtained for the previously synthesized oxides Ce0.85Ni0.15O2and La2CoMnO6, respectively. Among the materials synthesized in this Thesis, maximum values of 288, 548.1 and 405.8 F/g were obtained for the La1,8Sr0,2CuMnO6oxide, the CoFe2O4-C compositeand the olive pruning activated carbon, respectively. These last materials were used to build solid-state supercapacitors, using a PVA/KOH polymeric membrane as a separator/electrolyte.Six symmetrical supercapacitors were developed using activated carbon as the electrode materials, and the synthesis of the separator membrane was optimized. In addition, 12 hybrid supercapacitors, symmetrical and asymmetrical, were assembled, combining activated carbon in different proportions with the perovskite La1,8Sr0,2CuMnO6or with the CoFe2O4-C compound. The devices were characterized in a two-electrode configuration, and maximum capacitances of 1.15 F (53.3 F/g), 1.62 F (43.2 F/g), and 2.23 F (69. 8 F/g) for symmetrical supercapacitors of activated carbon, perovskite with activated carbon and ferrite-carbon composite with activated carbon, respectively.The simulation of a hybrid system consisting of a battery and a supercapacitors ́ bank, designed from the developed devices, was carried out. A simulation model previously applied to an electric car was used, modifying the power demand based on the requirements of an autonomous data acquisition robot. The results obtained indicate that supercapacitors based on mixed oxides and carbonaceous materials, developed in the present Thesis, could be used in hybrid systems for technological applications such as robotics, electric mobility and renewable energy storage. Fil: Bavio, Marcela A. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina. Fil: Tasca, Julia E. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina. Fil: Ponce, Marcelo Federico. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería; Argentina. 2024 2024-08-15T14:01:46Z 2024-08-15T14:01:46Z info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:eu-repo/semantics/acceptedVersion info:ar-repo/semantics/tesis doctoral Ponce, M. F.(2024). Desarrollo de compuestos de óxidos mixtos para su aplicación en sistemas de almacenamiento de energía [Tesis de doctorado]. Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires, Argentina. https://www.ridaa.unicen.edu.ar/handle/123456789/4076 spa http://creativecommons.org/licenses/by-nc/2.5/ar/ info:eu-repo/semantics/openAccess application/pdf application/pdf Universidad Nacional del Centro de la Provincia de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería.

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