Diseño de los electrodos de un supercapacitor biodegradable

Abstract

En este trabajo de investigación planteamos el diseño, la fabricación y la caracterización integral de electrodos ecológicos destinados a supercapacitores de doble capa eléctrica (EDLC), con el propósito fundamental de mitigar la dependencia de polímeros sintéticos derivados del petróleo y disminuir de forma activa la acumulación de residuos electrónicos. Para cumplir con este objetivo, nuestro equipo desarrolló y evaluó de manera sistemática doce formulaciones experimentales (M1 a M12), ajustando de forma controlada los tipos y proporciones de aglutinantes como el fluoruro de polivinilideno (PVDF), la carboximetilcelulosa (CMC) y el almidón soluble comercial, además de incorporar aditivos conductores como grafito y grafeno combinados con carbón activado YEC-8B. Durante el proceso de preparación de las suspensiones o lechadas, la ausencia inicial de un sonicador de sonda en el laboratorio se solventó eficazmente extendiendo los tiempos de agitación mecánica y magnética, logrando así una dispersión coloidal homogénea. La deposición de las películas activas sobre los colectores de aluminio se estandarizó mediante un sistema automatizado de cuchilla dosificadora (Doctor Blade) adaptado al cabezal de una máquina CNC, operada mediante un macro personalizado en el firmware Klipper. Esto nos permitió garantizar un espesor promedio sumamente reproducible de 0.2867 mm (286.67 µm) y una calidad de adherencia calificada como muy buena en las formulaciones optimizadas. La posterior caracterización morfológica y composicional mediante SEM y EDX confirmó una elevada retención de carbono activo (≈ 80–85%) y una distribución uniforme de la CMC sin obstrucción de los poros activos. Asimismo, los ensayos de resistencia superficial en seco y de espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) en celdas encapsuladas tipo coincell CR2032 revelaron que la variante optimizada M10 (formulada con CMC y almidón soluble) alcanzó una estabilidad óhmica sobresaliente con un promedio de 307.4 Ω y un coeficiente de variación reducido al 21.7%, superando drásticamente la alta dispersión de los aglutinantes de biomasa cruda. De igual forma, la incorporación de grafito laminar en la formulación M11 redujo la resistencia serie equivalente y mantuvo la magnitud de la impedancia por debajo de 11 Ω, validando la alta eficiencia de la red de percolación tridimensional. En conjunto, nuestros resultados demuestran la viabilidad técnica, mecánica y electroquímica de sustituir los aglutinantes fluorados tradicionales por matrices biopoliméricas verdes, ofreciendo un desempeño sumamente competitivo para sistemas de almacenamiento de energía sostenibles y de bajo impacto ambiental.