Autor de contacto e-mail joaquinartigasurjces (Joaquiacuten Artigas) Antildeo 2020

httprevistaaemacorg ISSN 2531-0739 Vol 4 nordm 3 paacuteg 65-69

J Artigasa B K Muntildeoza M Saacutencheza J de Pradoa M V Utrillaa A Urentildeaa

a Aacuterea de Ciencia e Ingenieriacutea de Materiales Escuela Superior de Ciencias Experimentales y Tecnologiacutea Universidad Rey Juan Carlos Calle Tulipan sn 28933 Moacutestoles Madrid

Modificacioacuten superficial de fibras de carbono para su aplicacioacuten en supercondensadores para vehiacuteculos eleacutectricos

Historia del artiacuteculo Recibido 7 de Junio 2019 En la versioacuten revisada 15 de Junio 2019 Aceptado 5 de Julio 2019 Accesible online 15 de Julio de 2020

Los materiales compuestos con refuerzo de fibra de carbono tienen potencial para su uso como componentes de almacenamiento de energiacutea gracias a la elevada conductividad eleacutectrica de la fibra de carbono que actuariacutea como electrodos Los supercondensadores almacenan energiacutea electrostaacutetica sobre la superficie de los electrodos por lo que es necesario el incremento de aacuterea superficial de los mismos

En este trabajo se analizan diferentes viacuteas para incrementar el aacuterea superficial de fibras de carbono con el objetivo de mejorar la capacidad de almacenamiento de las fibras que actuacutean como electrodos en supercondensadores estructurales La modificacioacuten superficial se ha realizado mediante la deposicioacuten de nanopartiacuteculas de carbono (GNP) y carbonos porosos (CAG) La eficacia de las diferentes viacuteas se ha analizado mediante medidas de aacuterea BET y caracterizacioacuten superficial Tambieacuten se analiza el efecto de los tratamientos superficiales sobre las propiedades mecaacutenicas de las fibras individuales y la capacidad de almacenamiento de energiacutea mediante caracterizacioacuten electroquiacutemica

Palabras clave Supercondensador Multifuncional Fibra Carbono Almacenamiento Energiacutea Propiedades Eleacutectricas

Surface modification of carbon fibres for its use as supercapacitors in electric vehicles

Keywords Supercapacitor Multifunctional Carbon fibre Energy Storage Electric Properties

Carbon fibre reinforced composite materials show potential as energy storage components due to the high electric conductivity of the carbon fibre Supercapacitors store electrostatic energy over the electrode surface Increasing the surface area of electrodes based on carbon fibre could lead to an increase in storage capacitance

Different methods to increase surface area of carbon fibre are studied with the aim of increasing energy storage capacitance of the fibres working as electrodes for structural electrochemical capacitors Surface modification was carried out by the deposition of carbon nanoparticles (GNP) and porous carbon (CAG) Effectiveness of the different methods was analysed by measurements of BET surface area and microscopy characterisation The effect on mechanical properties of individual fibres was analysed and storage capacitance was measured by electrochemical characterisation

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Introduccioacuten El incremento de la demanda de vehiacuteculos eleacutectricos lleva asociada una necesidad de aumentar la autonomiacutea de los sistemas de almacenamiento de energiacutea Los sistemas actuales de almacenamiento de energiacutea las bateriacuteas de ion Litio presentan altas densidades de energiacutea pero menor densidad de potencia El uso de supercondensadores puede compensar la necesidad de potencia que las bateriacuteas no pueden ofrecer siendo necesario el desarrollo de electrodos que permitan aumentar la capacidad de almacenamiento de estos sistemas [1]

Los supercondensadores basan el almacenamiento de energiacutea en la acumulacioacuten de carga en la intercara electrodo-electrolito Por lo tanto el aacuterea superficial de los electrodos estaacute relacionada con la capacidad de almacenamiento de energiacutea que ofrecen los supercondensadores [2]

Esta situacioacuten ha provocado un creciente intereacutes en el almacenamiento de energiacutea en sistemas multifuncionales destacando el uso de materiales compuestos de fibra de carbono La fibra presenta una combinacioacuten de resistencia mecaacutenica y conductividad eleacutectrica que resultan muy interesantes para este tipo de aplicaciones [3] La principal limitacioacuten se encuentra en la reducida aacuterea superficial de las fibras de carbono tras su procesado Se han realizado diferentes modificaciones en la fibra buscando una mejora del aacuterea superficial basadas en el ataque quiacutemico de las fibras la deposicioacuten de nanopartiacuteculas con elevada aacuterea superficial o la siacutentesis de estructuras con alta porosidad [45]

La buacutesqueda de incrementar el aacuterea superficial de las fibras se ha centrado principalmente en la mejora del aacuterea superficial La resistencia mecaacutenica tambieacuten resulta un paraacutemetro criacutetico para aplicaciones estructurales que no ha sido estudiada en la misma profundidad que la capacidad de almacenar energiacutea

En este estudio se han analizado diferentes teacutecnicas para la modificacioacuten de la superficie de las fibras mediante la deposicioacuten de nano-plaquetas de grafeno sin funcionalizar (GNP) y funcionalizados (GNPf-NH2) asiacute como la siacutentesis de aerogel de carbono (CAG) La eficacia de estas teacutecnicas se ha evaluado a traveacutes del caacutelculo de la capacitancia especiacutefica y la resistencia mecaacutenica de las fibras individuales y se han comparado con la fibra de carbono en estado de recepcioacuten (FC)

Experimental

Materiales La fibra de carbono utilizada en este estudio ha sido la AS4C 3K 5H (Satin wave) proporcionada por Hexcel Las nanopartiacuteculas de grafeno sin funcionalizar grado C fueron proporcionadas por XGScience con un aacuterea superficial de 500 m2g Las nanopartiacuteculas funcionalizadas grado 4 con grupo amino fueron suministradas por Cheap Tubes Inc con un aacuterea superficial de gt700 m2g Para la dispersioacuten de las nanopartiacuteculas se empleo un ensimaje suministrado por Nanocyl bajo el nombre comercial de Sizicyl

Se emplearon resorcinol formaldeiacutedo e hidroacutexido potasico en la siacutentesis del aerogel de carbono siendo suministrados por Sigma-Aldrich

Modificacioacuten superficial de la fibra Se han utilizado diferentes meacutetodos para la deposicioacuten de nanoplaquetas de grafeno asiacute como la siacutentesis del aerogel de carbono sobre la superficie de la fibra

221 Recubrimiento por Dip Coating

Se prepararon dispersiones tanto de grafeno sin funcionalizar como de grafeno funcionalizado en el sizing con un contenido en nanopartiacuteculas de 3 wt en ambos casos Las dispersion de las nanopartiacuteculas se produjo mediante ultrasonicacioacuten durante 30 min La fibra en forma de tejido se modificoacute mediante inmmersioacuten en la dispersioacuten mantenieacutendola durante 5 min en el bantildeo Por uacuteltimo se realizoacute un secado del tejido a 120 ordmC durante 20 horas

222 Siacutentesis del Aerogel

La siacutenteis del aerogel sobre la fibra se ha realizado siguiendo el procedimiento establecido previamente por otros estudios [5] Se prepara una disolucioacuten de resorcinol (26 g) en agua desionizada (50 ml) Posteriormente se antildeade el hidroacutexido potaacutesico (270 mg) y el formaldeiacutedo (35 ml) Se completa con agua hasta 100 ml y se agita durante 2 horas La mezla se aplica sobre el tejido y se realiza un curado a 80 ordmC durante 24 horas Para completar el proceso se realiza una carbonizacioacuten a 800 ordmC durante 30 min en una atmoacutesfera de N2

Caracterizacioacuten de las fibras

231 Caracterizacioacuten superficial

La eficacia de los diferentes meacutetodos para modificar la superficie de las fibras se ha realizado mediante microscopiacutea electronica y medidas de aacuterea BET

232 Caracterizacioacuten electroquiacutemica

La capacidad para almacenar energiacutea de las diferentes fibras modificadas se ha evaluado mediante ensayos de ciclo voltametriacutea Los ensayos se realizaron en un sistema de tres electrodos con un electrodo de referencia de AgAgCl y un contra-electrodo de Pt Como electrodo de trabajo se utilizoacute una mecha del tejido a estudiar en cada caso El electrolito de la celda utilizada fue 3M KCl

El caacutelculo de la capacitancia especiacutefica se realizoacute con la Ecuacioacuten (1) Siendo s la velocidad de barrido ΔV la diferencia de potencial inicial y final y ma la masa de electrodo activo Los ensayos se realizaron con una velocidad de escaneo de 5 mVs entre unos potenciales de -01 V a 01 V

퐶 =int

middot∆ middot (1)

233 Caracterizacioacuten mecaacutenica

Se realizaron ensayos de traccioacuten sobre fibra uacutenica para la caracterizacioacuten de las fibras siguiendo las indicaciones de la norma ASTM C1557-14 y pegando las fibras sobre una plantilla de papel Se utilizoacute una maacutequina de traccioacuten in-situ distribuida

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por Deben con una ceacutelula de carga de 2 N La velocidad de ensayo fue de 1 mmmin con una distancia entre mordazas inicial de 15 mm Se realizaron al menos 10 ensayos para caracterizar cada una de las condiciones estudiadas

Resultados

Modificacioacuten aacuterea superficial A traveacutes de las imaacutegenes obtenidas por microscopiacutea electroacutenica mostradas en la Figura 1 se puede observar el efecto de los diferentes meacutetodos sobre la superficie de las fibras La morfologiacutea de la superficie de las fibras depende principalmente del meacutetodo de obtencioacuten de estas pudiendo variar para cada fabricante Inicialmente la fibra de referencia para este estudio parte de una superficie lisa sin la presencia de defectos (Figura 1a)

La deposicioacuten de nanopartiacuteculas como los GNP puede resultar difiacutecil en algunos casos Su tendencia a la generacioacuten de aglomerados dificulta la dispersioacuten de estas a lo largo de la superficie limitando su aportacioacuten al incremento del aacuterea superficial

La deposicioacuten de GNP a traveacutes del meacutetodo de dip coating presenta ciertas limitaciones Tanto en el caso de las nanopartiacuteculas no funcionalizadas como con las funcionalizadas se puede observar una tendencia a la deposicioacuten de estas en los huecos existentes entre las fibras del tejido (Figuras 1b y 1c) El anclaje de las nanopartiacuteculas parece no ser muy efectivo ya que solo se pueden apreciar unas pocas depositadas sobre la superficie de las fibras En el caso de las nanopartiacuteculas funcionalizadas parecen presentar una mayor tendencia a la agrupacioacuten y resulta maacutes complicado romper los aglomerados con la ultrasonicacioacuten Los aglomerados que se observan son maacutes grandes y apenas pueden apreciarse nanopartiacuteculas sobre la superficie

La limitacioacuten de este meacutetodo de deposicioacuten puede observarse en los resultados del aacuterea BET reflejados en la Tabla 1 El incremento del aacuterea con las nanopartiacuteculas sin funcionalizar no es tan elevado como se podiacutea esperar al utilizar unas partiacuteculas con tan elevada aacuterea superficial Las nanopartiacuteculas funcionalizadas no producen un aumento del aacuterea superficial ya que como se aprecia en la Figura 1c estas no se han depositado sobre la superficie por lo que no han contribuido al aumento del aacuterea superficial

Por otro lado la siacutentesis del aerogel de carbono sobre el tejido ha generado una capa superficial de un espesor cercano al diaacutemetro de la fibra y bastante homogeacuteneo a lo largo de todo el tejido Se pueden apreciar algunas grietas sobre el recubrimiento seguramente producidas durante la manipulacioacuten del tejido a lo largo del proceso de siacutentesis

La eficacia de este recubrimiento es evidente con los excelentes valores de aacuterea superficial obtenidos La elevada porosidad de este tipo de estructuras ha proporcionado una mejora significativa sobre la superficie de las fibras tal y como se buscaba para este tipo de aplicacioacuten

Figura 1 Imaacutegenes de microscopiacutea electroacutenica de (a) FC (b) deposicioacuten de GNP (c) deposicioacuten de GNPf-HN2 y (d) siacutentesis CAG sobre fibras de carbono

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Comportamiento electroquiacutemico Los ensayos de ciclo voltametriacutea realizados sobre las mechas de las fibras permiten obtener un valor de capacitancia con los que se puede evaluar la eficacia de cada proceso para la preparacioacuten de electrodos

Las curvas obtenidas para todos los casos muestran un ciclo de histeacuteresis de carga y descarga representado en la Figura 2 La amplitud de este ciclo estaacute relacionada con la capacidad de almacenamiento de carga cuanto maacutes grande sea el aacuterea dentro de la curva mayor capacidad de almacenamiento de energiacutea

Los resultados de capacitancia en la Tabla 1 muestran que la fibra inicial tiene una capacidad muy baja como era de esperar ya que presentaba un aacuterea superficial muy baja La incorporacioacuten de las nanopartiacuteculas de grafeno sin funcionalizar mejora la capacitancia especiacutefica No se produce un aumento tan elevado con estas nanopartiacuteculas debido a la presencia de grandes aglomerados que han impedido una distribucioacuten maacutes homogeacutenea de las partiacuteculas sobre la superficie En el caso de las nanopartiacuteculas de grafeno funcionalizadas no se aprecia una mejora de la capacitancia Esto puede deberse a una mala deposicioacuten de las nanopartiacuteculas ya que se han formado grandes aglomerados que no han permitido la deposicioacuten homogeacutenea de las mismas sobre la superficie Los grupos funcionales presentes en las nanopartiacuteculas tambieacuten pueden afectar a la conductividad eleacutectrica lo que podriacutea justificar el descenso de la capacitancia a pesar de no variar el valor de aacuterea superficial

Los mayores resultados de capacitancia se obtienen con el aerogel de carbono El aumento que se experimenta con estas estructuras es muy superior al obtenido con la deposicioacuten de nanopartiacuteculas La curva que se obtiene en el ensayo de ciclo voltametriacutea de la Figura 2 presenta una geometriacutea de aspecto rectangular con respecto a las otras condiciones estudiadas y es maacutes proacutexima a los ciclos descritos en bibliografiacutea en el caso de supercondensadores [4]

Figura 2 Curva de ciclo voltametriacutea para fibra modificada con CAG

La combinacioacuten de una elevada porosidad con una buena conductividad eleacutectrica permite que el aerogel pueda acumular

gran cantidad de energiacutea electrostaacutetica sobre su superficie y sea capaz de transmitirla de forma efectiva al electrodo de fibra de carbono Las nanopartiacuteculas de grafeno tambieacuten presentan una elevada conductividad pero las dificultades a la hora de depositarlas homogeacuteneamente sobre la fibra limitan la capacidad de almacenamiento de carga ya que no se consigue aumentar el aacuterea superficial de la misma forma que con el aerogel

Tabla 1 Resultados de la caracterizacioacuten superficial y electroquiacutemica de las diferentes condiciones estudiadas

Aacuterea BET (m2g)

Capacitancia Especiacutefica

(Fg)

FC 004 0034 plusmn 0002

GNP 016 019 plusmn 008

GNPf-NH2 004 0010 plusmn 0003

CAG 9208 59 plusmn 02

Comportamiento mecaacutenico El comportamiento mecaacutenico de elementos con un diaacutemetro tan pequentildeo como el de la fibra de carbono puede verse muy afectado por la presencia de cualquier defecto sobre la superficie La creacioacuten de defectos en la fibra durante los procesos de modificacioacuten superficial influiraacute de manera significativa en la resistencia mecaacutenica de la fibra

Tabla 2 Resultados de resistencia mecaacutenica para las condiciones de modificacioacuten superficial estudiadas

Resistencia (MPa)

FC 4257 plusmn 436

GNP 4552 plusmn 331

GNPf-NH2 3852 plusmn 505

CAG 2489 plusmn 490

Los ensayos sobre fibra uacutenica muestran una gran diferencia entre los meacutetodos estudiados La Tabla 2 recoge los resultados de resistencia mecaacutenica representados en la Figura 3 El meacutetodo de dip coating se basa en la deposicioacuten de las nanopartiacuteculas sin alterar la superficie por lo que los resultados de resistencia indican que no se ha afectado el comportamiento mecaacutenico inicial de la fibra de carbono

Donde siacute que se aprecia un cambio significativo de la resistencia mecaacutenica es en las fibras modificadas mediante la siacutentesis de aerogel ya que en estas fibras se produce una

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reduccioacuten del 32 La siacutentesis de estas estructuras a altas temperaturas puede provocar la descomposicioacuten de las fibras si se realiza en presencia de oxiacutegeno La temperatura utilizada para la modificacioacuten de las fibras estudiadas no es suficiente para afectar a la estructura de las fibras en vaciacuteo La reduccioacuten tan significativa de la resistencia mecaacutenica evidencia que el proceso no se ha realizado en las condiciones oacuteptimas y por lo tanto la fibra se ha visto afectada

Figura 3 Comportamiento mecaacutenico de las condiciones de modificacioacuten superficial estudiadas

Comportamiento multifuncional La aplicacioacuten de supercondensadores como elementos estructurales requiere materiales que sean capaces de almacenar gran cantidad de energiacutea y proporcionen la resistencia mecaacutenica necesaria

La fibra de carbono de partida presenta una elevada resistencia mecaacutenica Sin embargo su capacidad de almacenamiento es muy baja por lo que su uso como supercondensador es muy limitado Las modificaciones que se han estudiado han mostrado capacidad para modificar la capacitancia de la fibra y la resistencia mecaacutenica

Observando la comparacioacuten de los resultados obtenidos un aumento muy elevado de la capacitancia puede llevar a la reduccioacuten de la resistencia mecaacutenica como en el caso del aerogel Con la deposicioacuten mediante dip coating el comportamiento mecaacutenico no se ve afectado pero la mejora de la capacitancia es muy limitada

Conclusiones La fibra de carbono tiene potencial como electrodo para supercondensadores estructurales gracias a la combinacioacuten de gran resistencia mecaacutenica con elevada conductividad eleacutectrica La modificacioacuten de la superficie de las fibras ha mostrado mejoras en la capacidad de almacenamiento de energiacutea solucionando la mayor limitacioacuten de la fibra de carbono sin modificar para su uso en este tipo de aplicaciones

El meacutetodo de modificacioacuten de la superficie tiene una gran influencia sobre las propiedades obtenidas La deposicioacuten mediante dip coating muestra una ligera mejora de la capacitancia limitada principalmente por la dificultad de dispersar las nanopartiacuteculas usadas El punto fuerte de esta teacutecnica es la capacidad de no introducir defectos sobre la fibra de partida Al tratarse de una teacutecnica poco agresiva las propiedades mecaacutenicas apenas se ven afectadas

Las estructuras de elevada porosidad como el aerogel de carbono muestran las mayores mejoras sobre la capacitancia de los electrodos Los valores obtenidos permitiriacutean el uso de estas fibras modificadas para aplicaciones de almacenamiento de energiacutea Sin embargo es necesaria una optimizacioacuten del proceso de siacutentesis ya que la reduccioacuten de propiedades mecaacutenicas que presentan estas fibras las descarta para una aplicacioacuten multifuncional donde las exigencias de comportamiento mecaacutenico son muy elevadas

Agradecimientos Los autores desean agradecer el apoyo econoacutemico recibido del Ministerio de Economiacutea y Competitividad del Gobierno de Espantildea (Proyecto MAT2016-78825-C2-1-R)

Referencias [1] Gonzaacutelez C Vilatela JJ Molina-Aldareguiacutea JM Lopes CS LLorca J Structural composites for multifunctional applications Current challenges and future trends Prog Mat Sci 2017 89 194ndash251 httpdxdoiorg101016jpmatsci201704005

[2] Conway BE Electrochemical Supercapacitors Scientific Fundamentals and Technological Applications Springer 1999 DOI 101007978-1-4757-3058-6

[3] ForintosN Cziganya T Multifunctional application of carbon fiber reinforced polymer composites Electrical properties of the reinforcing carbon fibers ndash A short review Composites Part B 2019 162 331ndash343 httpsdoiorg101016jcompositesb201810098

[4] Qian H Diao H Shirshova N Greenhalgh ES Steinke JHG Shaffer MSP Bismarck A Activation of structural carbon fibres for potential applications in multifunctional structural supercapacitors Journal of Coll Interf Sci 2013 395 241ndash248 httpdxdoiorg101016jjcis201212015

[5] Shirshova N Qian H Houlleacute M Steinke JHG Kucernak ARJ Fontana QPV Greenhalgh ES Bismarck A Shaffer MSP Multifunctional structural energy storage composite supercapacitors Faraday Discuss 2014 172 81-103 httpsdoi101039C4FD00055B

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por Deben con una ceacutelula de carga de 2 N La velocidad de ensayo fue de 1 mmmin con una distancia entre mordazas inicial de 15 mm Se realizaron al menos 10 ensayos para caracterizar cada una de las condiciones estudiadas

Resultados

Modificacioacuten aacuterea superficial A traveacutes de las imaacutegenes obtenidas por microscopiacutea electroacutenica mostradas en la Figura 1 se puede observar el efecto de los diferentes meacutetodos sobre la superficie de las fibras La morfologiacutea de la superficie de las fibras depende principalmente del meacutetodo de obtencioacuten de estas pudiendo variar para cada fabricante Inicialmente la fibra de referencia para este estudio parte de una superficie lisa sin la presencia de defectos (Figura 1a)

La deposicioacuten de nanopartiacuteculas como los GNP puede resultar difiacutecil en algunos casos Su tendencia a la generacioacuten de aglomerados dificulta la dispersioacuten de estas a lo largo de la superficie limitando su aportacioacuten al incremento del aacuterea superficial

La deposicioacuten de GNP a traveacutes del meacutetodo de dip coating presenta ciertas limitaciones Tanto en el caso de las nanopartiacuteculas no funcionalizadas como con las funcionalizadas se puede observar una tendencia a la deposicioacuten de estas en los huecos existentes entre las fibras del tejido (Figuras 1b y 1c) El anclaje de las nanopartiacuteculas parece no ser muy efectivo ya que solo se pueden apreciar unas pocas depositadas sobre la superficie de las fibras En el caso de las nanopartiacuteculas funcionalizadas parecen presentar una mayor tendencia a la agrupacioacuten y resulta maacutes complicado romper los aglomerados con la ultrasonicacioacuten Los aglomerados que se observan son maacutes grandes y apenas pueden apreciarse nanopartiacuteculas sobre la superficie

La limitacioacuten de este meacutetodo de deposicioacuten puede observarse en los resultados del aacuterea BET reflejados en la Tabla 1 El incremento del aacuterea con las nanopartiacuteculas sin funcionalizar no es tan elevado como se podiacutea esperar al utilizar unas partiacuteculas con tan elevada aacuterea superficial Las nanopartiacuteculas funcionalizadas no producen un aumento del aacuterea superficial ya que como se aprecia en la Figura 1c estas no se han depositado sobre la superficie por lo que no han contribuido al aumento del aacuterea superficial

Por otro lado la siacutentesis del aerogel de carbono sobre el tejido ha generado una capa superficial de un espesor cercano al diaacutemetro de la fibra y bastante homogeacuteneo a lo largo de todo el tejido Se pueden apreciar algunas grietas sobre el recubrimiento seguramente producidas durante la manipulacioacuten del tejido a lo largo del proceso de siacutentesis

La eficacia de este recubrimiento es evidente con los excelentes valores de aacuterea superficial obtenidos La elevada porosidad de este tipo de estructuras ha proporcionado una mejora significativa sobre la superficie de las fibras tal y como se buscaba para este tipo de aplicacioacuten

Figura 1 Imaacutegenes de microscopiacutea electroacutenica de (a) FC (b) deposicioacuten de GNP (c) deposicioacuten de GNPf-HN2 y (d) siacutentesis CAG sobre fibras de carbono

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Comportamiento electroquiacutemico Los ensayos de ciclo voltametriacutea realizados sobre las mechas de las fibras permiten obtener un valor de capacitancia con los que se puede evaluar la eficacia de cada proceso para la preparacioacuten de electrodos

Las curvas obtenidas para todos los casos muestran un ciclo de histeacuteresis de carga y descarga representado en la Figura 2 La amplitud de este ciclo estaacute relacionada con la capacidad de almacenamiento de carga cuanto maacutes grande sea el aacuterea dentro de la curva mayor capacidad de almacenamiento de energiacutea

Los resultados de capacitancia en la Tabla 1 muestran que la fibra inicial tiene una capacidad muy baja como era de esperar ya que presentaba un aacuterea superficial muy baja La incorporacioacuten de las nanopartiacuteculas de grafeno sin funcionalizar mejora la capacitancia especiacutefica No se produce un aumento tan elevado con estas nanopartiacuteculas debido a la presencia de grandes aglomerados que han impedido una distribucioacuten maacutes homogeacutenea de las partiacuteculas sobre la superficie En el caso de las nanopartiacuteculas de grafeno funcionalizadas no se aprecia una mejora de la capacitancia Esto puede deberse a una mala deposicioacuten de las nanopartiacuteculas ya que se han formado grandes aglomerados que no han permitido la deposicioacuten homogeacutenea de las mismas sobre la superficie Los grupos funcionales presentes en las nanopartiacuteculas tambieacuten pueden afectar a la conductividad eleacutectrica lo que podriacutea justificar el descenso de la capacitancia a pesar de no variar el valor de aacuterea superficial

Los mayores resultados de capacitancia se obtienen con el aerogel de carbono El aumento que se experimenta con estas estructuras es muy superior al obtenido con la deposicioacuten de nanopartiacuteculas La curva que se obtiene en el ensayo de ciclo voltametriacutea de la Figura 2 presenta una geometriacutea de aspecto rectangular con respecto a las otras condiciones estudiadas y es maacutes proacutexima a los ciclos descritos en bibliografiacutea en el caso de supercondensadores [4]

Figura 2 Curva de ciclo voltametriacutea para fibra modificada con CAG

La combinacioacuten de una elevada porosidad con una buena conductividad eleacutectrica permite que el aerogel pueda acumular

gran cantidad de energiacutea electrostaacutetica sobre su superficie y sea capaz de transmitirla de forma efectiva al electrodo de fibra de carbono Las nanopartiacuteculas de grafeno tambieacuten presentan una elevada conductividad pero las dificultades a la hora de depositarlas homogeacuteneamente sobre la fibra limitan la capacidad de almacenamiento de carga ya que no se consigue aumentar el aacuterea superficial de la misma forma que con el aerogel

Tabla 1 Resultados de la caracterizacioacuten superficial y electroquiacutemica de las diferentes condiciones estudiadas

Aacuterea BET (m2g)

Capacitancia Especiacutefica

(Fg)

FC 004 0034 plusmn 0002

GNP 016 019 plusmn 008

GNPf-NH2 004 0010 plusmn 0003

CAG 9208 59 plusmn 02

Comportamiento mecaacutenico El comportamiento mecaacutenico de elementos con un diaacutemetro tan pequentildeo como el de la fibra de carbono puede verse muy afectado por la presencia de cualquier defecto sobre la superficie La creacioacuten de defectos en la fibra durante los procesos de modificacioacuten superficial influiraacute de manera significativa en la resistencia mecaacutenica de la fibra

Tabla 2 Resultados de resistencia mecaacutenica para las condiciones de modificacioacuten superficial estudiadas

Resistencia (MPa)

FC 4257 plusmn 436

GNP 4552 plusmn 331

GNPf-NH2 3852 plusmn 505

CAG 2489 plusmn 490

Los ensayos sobre fibra uacutenica muestran una gran diferencia entre los meacutetodos estudiados La Tabla 2 recoge los resultados de resistencia mecaacutenica representados en la Figura 3 El meacutetodo de dip coating se basa en la deposicioacuten de las nanopartiacuteculas sin alterar la superficie por lo que los resultados de resistencia indican que no se ha afectado el comportamiento mecaacutenico inicial de la fibra de carbono

Donde siacute que se aprecia un cambio significativo de la resistencia mecaacutenica es en las fibras modificadas mediante la siacutentesis de aerogel ya que en estas fibras se produce una

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reduccioacuten del 32 La siacutentesis de estas estructuras a altas temperaturas puede provocar la descomposicioacuten de las fibras si se realiza en presencia de oxiacutegeno La temperatura utilizada para la modificacioacuten de las fibras estudiadas no es suficiente para afectar a la estructura de las fibras en vaciacuteo La reduccioacuten tan significativa de la resistencia mecaacutenica evidencia que el proceso no se ha realizado en las condiciones oacuteptimas y por lo tanto la fibra se ha visto afectada

Figura 3 Comportamiento mecaacutenico de las condiciones de modificacioacuten superficial estudiadas

Comportamiento multifuncional La aplicacioacuten de supercondensadores como elementos estructurales requiere materiales que sean capaces de almacenar gran cantidad de energiacutea y proporcionen la resistencia mecaacutenica necesaria

La fibra de carbono de partida presenta una elevada resistencia mecaacutenica Sin embargo su capacidad de almacenamiento es muy baja por lo que su uso como supercondensador es muy limitado Las modificaciones que se han estudiado han mostrado capacidad para modificar la capacitancia de la fibra y la resistencia mecaacutenica

Observando la comparacioacuten de los resultados obtenidos un aumento muy elevado de la capacitancia puede llevar a la reduccioacuten de la resistencia mecaacutenica como en el caso del aerogel Con la deposicioacuten mediante dip coating el comportamiento mecaacutenico no se ve afectado pero la mejora de la capacitancia es muy limitada

Conclusiones La fibra de carbono tiene potencial como electrodo para supercondensadores estructurales gracias a la combinacioacuten de gran resistencia mecaacutenica con elevada conductividad eleacutectrica La modificacioacuten de la superficie de las fibras ha mostrado mejoras en la capacidad de almacenamiento de energiacutea solucionando la mayor limitacioacuten de la fibra de carbono sin modificar para su uso en este tipo de aplicaciones

El meacutetodo de modificacioacuten de la superficie tiene una gran influencia sobre las propiedades obtenidas La deposicioacuten mediante dip coating muestra una ligera mejora de la capacitancia limitada principalmente por la dificultad de dispersar las nanopartiacuteculas usadas El punto fuerte de esta teacutecnica es la capacidad de no introducir defectos sobre la fibra de partida Al tratarse de una teacutecnica poco agresiva las propiedades mecaacutenicas apenas se ven afectadas

Las estructuras de elevada porosidad como el aerogel de carbono muestran las mayores mejoras sobre la capacitancia de los electrodos Los valores obtenidos permitiriacutean el uso de estas fibras modificadas para aplicaciones de almacenamiento de energiacutea Sin embargo es necesaria una optimizacioacuten del proceso de siacutentesis ya que la reduccioacuten de propiedades mecaacutenicas que presentan estas fibras las descarta para una aplicacioacuten multifuncional donde las exigencias de comportamiento mecaacutenico son muy elevadas

Agradecimientos Los autores desean agradecer el apoyo econoacutemico recibido del Ministerio de Economiacutea y Competitividad del Gobierno de Espantildea (Proyecto MAT2016-78825-C2-1-R)

Referencias [1] Gonzaacutelez C Vilatela JJ Molina-Aldareguiacutea JM Lopes CS LLorca J Structural composites for multifunctional applications Current challenges and future trends Prog Mat Sci 2017 89 194ndash251 httpdxdoiorg101016jpmatsci201704005

[2] Conway BE Electrochemical Supercapacitors Scientific Fundamentals and Technological Applications Springer 1999 DOI 101007978-1-4757-3058-6

[3] ForintosN Cziganya T Multifunctional application of carbon fiber reinforced polymer composites Electrical properties of the reinforcing carbon fibers ndash A short review Composites Part B 2019 162 331ndash343 httpsdoiorg101016jcompositesb201810098

[4] Qian H Diao H Shirshova N Greenhalgh ES Steinke JHG Shaffer MSP Bismarck A Activation of structural carbon fibres for potential applications in multifunctional structural supercapacitors Journal of Coll Interf Sci 2013 395 241ndash248 httpdxdoiorg101016jjcis201212015

[5] Shirshova N Qian H Houlleacute M Steinke JHG Kucernak ARJ Fontana QPV Greenhalgh ES Bismarck A Shaffer MSP Multifunctional structural energy storage composite supercapacitors Faraday Discuss 2014 172 81-103 httpsdoi101039C4FD00055B

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Comportamiento electroquiacutemico Los ensayos de ciclo voltametriacutea realizados sobre las mechas de las fibras permiten obtener un valor de capacitancia con los que se puede evaluar la eficacia de cada proceso para la preparacioacuten de electrodos

Las curvas obtenidas para todos los casos muestran un ciclo de histeacuteresis de carga y descarga representado en la Figura 2 La amplitud de este ciclo estaacute relacionada con la capacidad de almacenamiento de carga cuanto maacutes grande sea el aacuterea dentro de la curva mayor capacidad de almacenamiento de energiacutea

Los resultados de capacitancia en la Tabla 1 muestran que la fibra inicial tiene una capacidad muy baja como era de esperar ya que presentaba un aacuterea superficial muy baja La incorporacioacuten de las nanopartiacuteculas de grafeno sin funcionalizar mejora la capacitancia especiacutefica No se produce un aumento tan elevado con estas nanopartiacuteculas debido a la presencia de grandes aglomerados que han impedido una distribucioacuten maacutes homogeacutenea de las partiacuteculas sobre la superficie En el caso de las nanopartiacuteculas de grafeno funcionalizadas no se aprecia una mejora de la capacitancia Esto puede deberse a una mala deposicioacuten de las nanopartiacuteculas ya que se han formado grandes aglomerados que no han permitido la deposicioacuten homogeacutenea de las mismas sobre la superficie Los grupos funcionales presentes en las nanopartiacuteculas tambieacuten pueden afectar a la conductividad eleacutectrica lo que podriacutea justificar el descenso de la capacitancia a pesar de no variar el valor de aacuterea superficial

Los mayores resultados de capacitancia se obtienen con el aerogel de carbono El aumento que se experimenta con estas estructuras es muy superior al obtenido con la deposicioacuten de nanopartiacuteculas La curva que se obtiene en el ensayo de ciclo voltametriacutea de la Figura 2 presenta una geometriacutea de aspecto rectangular con respecto a las otras condiciones estudiadas y es maacutes proacutexima a los ciclos descritos en bibliografiacutea en el caso de supercondensadores [4]

Figura 2 Curva de ciclo voltametriacutea para fibra modificada con CAG

La combinacioacuten de una elevada porosidad con una buena conductividad eleacutectrica permite que el aerogel pueda acumular

gran cantidad de energiacutea electrostaacutetica sobre su superficie y sea capaz de transmitirla de forma efectiva al electrodo de fibra de carbono Las nanopartiacuteculas de grafeno tambieacuten presentan una elevada conductividad pero las dificultades a la hora de depositarlas homogeacuteneamente sobre la fibra limitan la capacidad de almacenamiento de carga ya que no se consigue aumentar el aacuterea superficial de la misma forma que con el aerogel

Tabla 1 Resultados de la caracterizacioacuten superficial y electroquiacutemica de las diferentes condiciones estudiadas

Aacuterea BET (m2g)

Capacitancia Especiacutefica

(Fg)

FC 004 0034 plusmn 0002

GNP 016 019 plusmn 008

GNPf-NH2 004 0010 plusmn 0003

CAG 9208 59 plusmn 02

Comportamiento mecaacutenico El comportamiento mecaacutenico de elementos con un diaacutemetro tan pequentildeo como el de la fibra de carbono puede verse muy afectado por la presencia de cualquier defecto sobre la superficie La creacioacuten de defectos en la fibra durante los procesos de modificacioacuten superficial influiraacute de manera significativa en la resistencia mecaacutenica de la fibra

Tabla 2 Resultados de resistencia mecaacutenica para las condiciones de modificacioacuten superficial estudiadas

Resistencia (MPa)

FC 4257 plusmn 436

GNP 4552 plusmn 331

GNPf-NH2 3852 plusmn 505

CAG 2489 plusmn 490

Los ensayos sobre fibra uacutenica muestran una gran diferencia entre los meacutetodos estudiados La Tabla 2 recoge los resultados de resistencia mecaacutenica representados en la Figura 3 El meacutetodo de dip coating se basa en la deposicioacuten de las nanopartiacuteculas sin alterar la superficie por lo que los resultados de resistencia indican que no se ha afectado el comportamiento mecaacutenico inicial de la fibra de carbono

Donde siacute que se aprecia un cambio significativo de la resistencia mecaacutenica es en las fibras modificadas mediante la siacutentesis de aerogel ya que en estas fibras se produce una

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reduccioacuten del 32 La siacutentesis de estas estructuras a altas temperaturas puede provocar la descomposicioacuten de las fibras si se realiza en presencia de oxiacutegeno La temperatura utilizada para la modificacioacuten de las fibras estudiadas no es suficiente para afectar a la estructura de las fibras en vaciacuteo La reduccioacuten tan significativa de la resistencia mecaacutenica evidencia que el proceso no se ha realizado en las condiciones oacuteptimas y por lo tanto la fibra se ha visto afectada

Figura 3 Comportamiento mecaacutenico de las condiciones de modificacioacuten superficial estudiadas

Comportamiento multifuncional La aplicacioacuten de supercondensadores como elementos estructurales requiere materiales que sean capaces de almacenar gran cantidad de energiacutea y proporcionen la resistencia mecaacutenica necesaria

La fibra de carbono de partida presenta una elevada resistencia mecaacutenica Sin embargo su capacidad de almacenamiento es muy baja por lo que su uso como supercondensador es muy limitado Las modificaciones que se han estudiado han mostrado capacidad para modificar la capacitancia de la fibra y la resistencia mecaacutenica

Observando la comparacioacuten de los resultados obtenidos un aumento muy elevado de la capacitancia puede llevar a la reduccioacuten de la resistencia mecaacutenica como en el caso del aerogel Con la deposicioacuten mediante dip coating el comportamiento mecaacutenico no se ve afectado pero la mejora de la capacitancia es muy limitada

Conclusiones La fibra de carbono tiene potencial como electrodo para supercondensadores estructurales gracias a la combinacioacuten de gran resistencia mecaacutenica con elevada conductividad eleacutectrica La modificacioacuten de la superficie de las fibras ha mostrado mejoras en la capacidad de almacenamiento de energiacutea solucionando la mayor limitacioacuten de la fibra de carbono sin modificar para su uso en este tipo de aplicaciones

El meacutetodo de modificacioacuten de la superficie tiene una gran influencia sobre las propiedades obtenidas La deposicioacuten mediante dip coating muestra una ligera mejora de la capacitancia limitada principalmente por la dificultad de dispersar las nanopartiacuteculas usadas El punto fuerte de esta teacutecnica es la capacidad de no introducir defectos sobre la fibra de partida Al tratarse de una teacutecnica poco agresiva las propiedades mecaacutenicas apenas se ven afectadas

Las estructuras de elevada porosidad como el aerogel de carbono muestran las mayores mejoras sobre la capacitancia de los electrodos Los valores obtenidos permitiriacutean el uso de estas fibras modificadas para aplicaciones de almacenamiento de energiacutea Sin embargo es necesaria una optimizacioacuten del proceso de siacutentesis ya que la reduccioacuten de propiedades mecaacutenicas que presentan estas fibras las descarta para una aplicacioacuten multifuncional donde las exigencias de comportamiento mecaacutenico son muy elevadas

Agradecimientos Los autores desean agradecer el apoyo econoacutemico recibido del Ministerio de Economiacutea y Competitividad del Gobierno de Espantildea (Proyecto MAT2016-78825-C2-1-R)

Referencias [1] Gonzaacutelez C Vilatela JJ Molina-Aldareguiacutea JM Lopes CS LLorca J Structural composites for multifunctional applications Current challenges and future trends Prog Mat Sci 2017 89 194ndash251 httpdxdoiorg101016jpmatsci201704005

[2] Conway BE Electrochemical Supercapacitors Scientific Fundamentals and Technological Applications Springer 1999 DOI 101007978-1-4757-3058-6

[3] ForintosN Cziganya T Multifunctional application of carbon fiber reinforced polymer composites Electrical properties of the reinforcing carbon fibers ndash A short review Composites Part B 2019 162 331ndash343 httpsdoiorg101016jcompositesb201810098

[4] Qian H Diao H Shirshova N Greenhalgh ES Steinke JHG Shaffer MSP Bismarck A Activation of structural carbon fibres for potential applications in multifunctional structural supercapacitors Journal of Coll Interf Sci 2013 395 241ndash248 httpdxdoiorg101016jjcis201212015

[5] Shirshova N Qian H Houlleacute M Steinke JHG Kucernak ARJ Fontana QPV Greenhalgh ES Bismarck A Shaffer MSP Multifunctional structural energy storage composite supercapacitors Faraday Discuss 2014 172 81-103 httpsdoi101039C4FD00055B

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reduccioacuten del 32 La siacutentesis de estas estructuras a altas temperaturas puede provocar la descomposicioacuten de las fibras si se realiza en presencia de oxiacutegeno La temperatura utilizada para la modificacioacuten de las fibras estudiadas no es suficiente para afectar a la estructura de las fibras en vaciacuteo La reduccioacuten tan significativa de la resistencia mecaacutenica evidencia que el proceso no se ha realizado en las condiciones oacuteptimas y por lo tanto la fibra se ha visto afectada

Figura 3 Comportamiento mecaacutenico de las condiciones de modificacioacuten superficial estudiadas

Comportamiento multifuncional La aplicacioacuten de supercondensadores como elementos estructurales requiere materiales que sean capaces de almacenar gran cantidad de energiacutea y proporcionen la resistencia mecaacutenica necesaria

La fibra de carbono de partida presenta una elevada resistencia mecaacutenica Sin embargo su capacidad de almacenamiento es muy baja por lo que su uso como supercondensador es muy limitado Las modificaciones que se han estudiado han mostrado capacidad para modificar la capacitancia de la fibra y la resistencia mecaacutenica

Observando la comparacioacuten de los resultados obtenidos un aumento muy elevado de la capacitancia puede llevar a la reduccioacuten de la resistencia mecaacutenica como en el caso del aerogel Con la deposicioacuten mediante dip coating el comportamiento mecaacutenico no se ve afectado pero la mejora de la capacitancia es muy limitada

Conclusiones La fibra de carbono tiene potencial como electrodo para supercondensadores estructurales gracias a la combinacioacuten de gran resistencia mecaacutenica con elevada conductividad eleacutectrica La modificacioacuten de la superficie de las fibras ha mostrado mejoras en la capacidad de almacenamiento de energiacutea solucionando la mayor limitacioacuten de la fibra de carbono sin modificar para su uso en este tipo de aplicaciones

El meacutetodo de modificacioacuten de la superficie tiene una gran influencia sobre las propiedades obtenidas La deposicioacuten mediante dip coating muestra una ligera mejora de la capacitancia limitada principalmente por la dificultad de dispersar las nanopartiacuteculas usadas El punto fuerte de esta teacutecnica es la capacidad de no introducir defectos sobre la fibra de partida Al tratarse de una teacutecnica poco agresiva las propiedades mecaacutenicas apenas se ven afectadas

Las estructuras de elevada porosidad como el aerogel de carbono muestran las mayores mejoras sobre la capacitancia de los electrodos Los valores obtenidos permitiriacutean el uso de estas fibras modificadas para aplicaciones de almacenamiento de energiacutea Sin embargo es necesaria una optimizacioacuten del proceso de siacutentesis ya que la reduccioacuten de propiedades mecaacutenicas que presentan estas fibras las descarta para una aplicacioacuten multifuncional donde las exigencias de comportamiento mecaacutenico son muy elevadas

Agradecimientos Los autores desean agradecer el apoyo econoacutemico recibido del Ministerio de Economiacutea y Competitividad del Gobierno de Espantildea (Proyecto MAT2016-78825-C2-1-R)

Referencias [1] Gonzaacutelez C Vilatela JJ Molina-Aldareguiacutea JM Lopes CS LLorca J Structural composites for multifunctional applications Current challenges and future trends Prog Mat Sci 2017 89 194ndash251 httpdxdoiorg101016jpmatsci201704005

[2] Conway BE Electrochemical Supercapacitors Scientific Fundamentals and Technological Applications Springer 1999 DOI 101007978-1-4757-3058-6

[3] ForintosN Cziganya T Multifunctional application of carbon fiber reinforced polymer composites Electrical properties of the reinforcing carbon fibers ndash A short review Composites Part B 2019 162 331ndash343 httpsdoiorg101016jcompositesb201810098

[4] Qian H Diao H Shirshova N Greenhalgh ES Steinke JHG Shaffer MSP Bismarck A Activation of structural carbon fibres for potential applications in multifunctional structural supercapacitors Journal of Coll Interf Sci 2013 395 241ndash248 httpdxdoiorg101016jjcis201212015

[5] Shirshova N Qian H Houlleacute M Steinke JHG Kucernak ARJ Fontana QPV Greenhalgh ES Bismarck A Shaffer MSP Multifunctional structural energy storage composite supercapacitors Faraday Discuss 2014 172 81-103 httpsdoi101039C4FD00055B