CAMPO TÉCNICO

La presente solicitud se enfoca en el almacenamiento de energía, empleando materiales a base de grafeno como capacitores electroquímicos de doble capa, su proceso de producción, y su uso en la industria eléctrica.

ESTADO DEL ARTE

La demanda de energía eléctrica a nivel mundial ha incrementado de forma sustancial en las últimas décadas. Se ha estimado [1 ] que se requerirá aproximadamente 28 TW de energía en el año 2050. Alcanzar esta demanda mundial de energía eléctrica no sólo radica en desarrollar tecnologías de producción de energías limpias y renovables, como la solar fotovoltaica y la eólica, sino también, requiere ineludiblemente, de dispositivos eficientes de almacenamiento de energía eléctrica.

En este contexto, el sistema de almacenamiento de energía eléctrica más utilizado en la actualidad es la batería. Sin embargo, las baterías convencionales tienen desventajas operativas importantes que las hacen inviables para el nuevo modelo energético que requiere alta densidad energética y alta capacidad de carga [2], Por ejemplo, las baterías pueden sufrir expansión mecánica debido a la generación de vapores al someterse a cargas y descargas de energía de forma continua y abruptas; presentan baja eficiencia energética (65 - 75%), la cual disminuye frente a altas potencia de consumo; así como tienen una vida útil corta, ya que presentan pérdidas sobre el 50% de su capacidad de almacenamiento sobre los 1000 ciclos de carga/descarga, lo que puede equivaler a una vida útil no mayor a 5 años, dependiendo de su uso [3]. Sumado a lo anterior, las baterías contienen materiales peligrosos para el medio ambiente lo que complica su disposición final. Es así como los capacitores electroquímicos, llamados supercondensadores o supercapacitores (SC), han mostrado un gran potencial para solventar las limitaciones de las baterías actuales, siendo un complemento y hasta un reemplazo de estas [3].

Ahora bien, sin despreciar el rol de todas las partes que componen un SC, el componente de mayor interés es el electrodo. Este componente es el responsable de la acumulación de carga eléctrica. Esta propiedad, está condicionada por la capacidad del material para adsorber cargas desde el electrolito empleado en el SC. De esta forma, el mercado mundial de electrodos para su implementación en SC está creciendo rápidamente para hacer frente a fuentes renovables intermitentes, aplicaciones a corto plazo o regeneración rápida en vehículos híbridos y eléctricos [4],

El almacenamiento de carga en SC se produce a través de la generación de una doble capa electrostática (EDL) por la interacción de los iones de un electrolito con la superficie del electrodo que se caracteriza por poseer dos propiedades específicas, alta porosidad y conductividad [5]. En los últimos años, se han hecho muchos esfuerzos para desarrollar SC altamente eficientes. Se han propuesto varios enfoques, como el desarrollo de materiales de carbono nanoporosos (NC) con un área superficial alta y porosidad jerárquica para aumentar la capacitancia y reducir la resistencia a la difusión gracias a canales no tortuosos, y así obtener capacidades de alta velocidad [6]. Las altas áreas superficiales de los NC y la corta distancia entre el ion y el electrodo proporcionan a la nueva generación de SC una mayor capacitancia que los dispositivos convencionales, al tiempo que son capaces de liberar la carga más rápidamente que las baterías [4], Sin embargo, la principal desventaja de los SC es su baja energía específica en comparación con las baterías [4,6].

La modificación de la química superficial de los electrodos de carbono mediante la introducción de heteroátomos (como O, N o S) también se ha explorado como una estrategia para mejorar el rendimiento de las reacciones redox superficiales (carga de pseudocapacitancia) [4,7], Sin embargo, la síntesis de estos materiales de carbono avanzados a menudo requiere metodologías complejas, largas, costosas y algunas incluso tóxicas, que involucran altas temperaturas de carbonización y precursores petroquímicos como carbón mineral, hidrocarburos, entre otros, que limitan su comercialización generalizada. Un intento por desarrollar SC más "verdes" y competitivos corresponde al uso de NC derivados de residuos agrícolas o forestales [8,9], los cuales se han utilizado con éxito para desarrollar SC del tipo EDL. Al mismo tiempo, la formulación de materiales carbonosos nanoporosos desde materias primas de tipo fenólica como la lignina, cortezas, o resinas fenólicas, han aumentado considerablemente dentro de la comunidad científica dado que proveen valores de capacitancia entre 190-300 F g ¹ y una alta estabilidad que puede alcanzar sobre el 90% de eficiencia hasta después de más 5000 ciclos de carga/descarga [10-12],

En este contexto, Chile tiene una oportunidad única para el desarrollo de materiales óptimos para la construcción de electrodos con aplicaciones en SC principalmente a base de grafeno cuyas propiedades físicas y químicas pueden ser diseñadas para tal aplicación. Un precursor de carbono abundante para producir materiales a base de grafeno a costos competitivos son los materiales o residuos lignocelulósicos de origen forestal como el pino, roble, caoba, apamate, algarrobo, entre otros; lo cual es de claro interés en Chile dada la alta cantidad de plantaciones forestales que existen en el país, siendo la corteza de Pinus Radiata, uno de los residuos de mayor interés. Nuestro grupo ha reportado que las propiedades de materiales del tipo grafeno producidos desde residuos de biomasa pueden ser diseñadas para el control de las interacciones de fuerzas electrostáticas y dispersivas, que son necesarias para la movilidad de cargas electrónicas [13]. Este diseño garantizaría una alta conductividad eléctrica y sitios accesibles para el almacenamiento de carga eléctrica. El elemento principal y diferenciador de la presente patente, consiste en la formulación y producción de materiales a base de grafeno para la construcción de electrodos y su aplicación como superconductores eléctricos.

El mejor material obtenido a base de grafeno y presentado en esta patente se diferencia totalmente de los documentos reportados en la literatura porque hemos utilizado como precursor un biocarbono obtenido previamente de la pirólisis de taninos extraídos de materiales o residuos forestales como la corteza de pino, roble, caoba, apamate, algarrobo, entre otros. En resumen, este biocarbono ha sido sometido a un proceso simultáneo de activación y exfoliación intercalación termoquímica en presencia de KOH a temperaturas moderadas. No existen reportes a la fecha de capacitores electroquímicos preparados a base de materiales de grafeno desde biocarbonos derivados de la pirólisis de taninos de residuos forestales ("cortezas de árboles).

Por ejemplo, el documento US8784764B2, describe un método para la producción de carbón activado para su empleo como capacitores de alta densidad de energía. Este material se produce a partir de una mezcla en fase acosa de un precursor de carbono no lignocelulósico y un compuesto inorgánico. Probablemente esta mezcla sea de carbón mineral en presencia de las propias impurezas inorgánicas del carbón mineral. Este documento no describe formas de grafeno como el componente de interés en el capacitor, por lo que no afecta a la presente solicitud.

El documento US6060424, describe la producción de carbón activado derivado de materiales lignocelulósicos (madera) por activación química útiles como dispositivos de doble capa para el almacenamiento de alta densidad de energía. Aun a pesar de que el precursor es lignocelulósico, el documento no describe los procesos de exfoliación por intercalación termoquímica de biocarbonos, ni sobre la producción de grafeno, por lo que no afecta a la presente solicitud.

El documento US8940145B1 describe la producción de un electrodo supercapacitor que comprende un sustrato conductor poroso compuesto por una superficie depositados de uno o más óxidos metálicos y un óxido de grafeno químicamente reducido depositado como una segunda superficie, proporcionando así la composición de doble capa eléctrica asociada al sustrato. Las capas del supercapacitor se enrollan de forma cilindrica. Aun a pesar de las buenas prestaciones electroquímicas del dispositivo, este documento no está centrada en la producción del grafeno y además se caracteriza por poseer mezclas de óxidos metálicos conductores, y en consecuencia, no afecta la presente solicitud.

En base a los antecedentes descritos, en la presente solicitud de patente se propone “Un proceso para la producción de materiales a base de grafeno y su uso en la fabricación de electrodos de capacitores electroquímicos”, que se compone de dos etapas. La primera relacionada a la producción del material de grafeno y la segunda etapa consiste en la elaboración del electrodo para capacitor electroquímico, empleando como materia prima el material a base de grafeno.

Asimismo, esta patente describe el desarrollo de protocolos de síntesis eco- amigables y sustentables de materiales a base de grafeno, de forma que sean empleados como electrodos de capacitores eléctricos de doble capa para el almacenamiento de energía eléctrica.

Referencias.

[1 ] https://about.bnef.com/new-energy-outlook/

[2] R. Hemmati, H. Saboori, Emergence of hybrid energy storage systems in renewable energy and transport applications - A review, Renew. Sustain. Energy Rev. 65 (2016) 1 1-23.

[3] A.G. Pandolfo, A.F. Hollenkamp, Carbon properties and their role in supercapacitors. J. Power Sources. 157 (2006) 1 1 -27.

[5] C. Zhong, Y. Deng, W. Hu, J. Qiao, L. Zhang, J. Zhang, A review of electrolyte materials and compositions for electrochemical supercapacitors, Chem. Soc. Rev. 44 (2015) 7484-7539. https://doi.org/10.1039/C5CS00303B.

[5] P. Sharma, T.S. Bhatti, A review on electrochemical double-layer capacitors,

Energy Convers. Manag. 51 (2010) 2901 -2912. https://doi.Org/10.1016/j.enconman.2010.06.031 .

[6] Y. Wang, Q. Qu, S. Gao, G. Tang, K. Liu, S. He, C. Huang, Biomass derived carbon as binder-free electrode materials for supercapacitors, Carbon. 155 (2019) 706-726. https://doi.Org/10.1016/j.carbon.2019.09.018.

[7] J. Zhang, X.S. Zhao, On the Configuration of Supercapacitors for Maximizing

Electrochemical Performance, ChemSusChem. 5 (2012) 818-841. https://doi.Org/10.1002/cssc.201100571 .

[8] H. Lu, X.S. Zhao, Biomass-derived carbon electrode materials for supercapacitors, Sustain. Energy Fuels. 1 (2017) 1265-1281. https://doi.Org/10.1039/C7SE00099E.

[9] Z. Bi, Q. Kong, Y. Cao, G. Sun, F. Su, X. Wei, X. Li, A. Ahmad, L. Xie, C.-M. Chen, Biomass-derived porous carbon materials with different dimensions for supercapacitor electrodes: a review, J. Mater. Chem. A. 7 (2019) 16028-16045. https://doi.Org/10.1039/C9TA04436A.

[10] C. Wang, T. Liu, Activated carbon materials derived from liquefied bark- phenol formaldehyde resins for high performance supercapacitors, RSC Adv. 6 (2016) 105540-105549.

[1 1 ] W. Zhang, M. Zhao, R. Liu, X. Wang, H. Lin, Hierarchical porous carbon derived from lignin for high performance supercapacitor, Coll. Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 484 (2015) 518-527.

[12] B. Yu, Z. Chang, C. Wang, The key pre-pyrolysis in lignin-based activated carbon preparation for high performance supercapacitors, Mater. Chem. Phys. 181 (2016) 187-193

[13] A. Dasgupta, J. Matos, H. Muramatsu, Y. Ono, V. González, H. Liu, C. Rotella, K. Fujizawa, R. Cruz-Silva, Y. Hashimoto, M. Endo, K. Kaneko, L. Radovic, M. Terrones. Nanostructured carbon materials for enhanced nitrobenzene adsorption: Physical vs. Chemical surface properties. Carbon 139 (2018) 833-844.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Esquema de producción de materiales a base de grafeno, compuesta por sub-etapas de activación (1 a) y exfoliación (1 b) para obtener una mezcla de carbonos micro- y nanométricos, que posteriormente se someten a una separación de fases micro- y nanométricas por filtración (1 c) seguida de la decantación de la fase nanométhca en solución (1 d), y finalmente una segunda filtración para la extracción de la fase nanométhca (1 e) que corresponde al material a base de grafeno.

Figura 2. Caracterización textural del material a base de grafeno. La figura (2a) muestra la cantidad adsorbida de nitrógeno (cm ³ g ^-1 , STP) a -196 °C versus la presión relativa (P/Po); la figura (2b) muestra la distribución de volumen de poro [dV/dW, (cm ³ g ^-1 nm ^-1 )] versus el ancho de poros W (nm); la figura (2c) muestra el volumen adsorbido de nitrógeno acumulado [Vcum (cm ³ g’ ¹ )] versus el ancho de poros W (nm). Figura 3. Espectros RAMAN del material a base de grafeno, donde se muestra la intensidad (conteos) versus el desplazamiento Raman (cm’ ¹ ). El contenido de carbono y oxigeno atómico (At wt. %) insertos en la figura muestra que el material está compuesto por óxido de grafeno con una proporción de C/O = 7.3. Las deconvoluciones del pico asociados a los defectos del material, indicados como D1 , D2, D3 y D4, están asociados a las distorsiones del plano grafitico (G) lo que sugiere la formación de láminas aisladas de grafeno.

Figura 4. Caracterización electroquímica del material a base de grafeno. La Figura (4a) muestra la densidad de corriente generada (A g ¹ ) versus el voltaje aplicado (V); la figura (4b) muestra capacitancia acumulada por la celda electroquímica Cceii (F g’ ¹ ) versus el voltaje aplicado.

Figura 5. Resultados electroquímicos del electrodo elaborado con el material a base de grafeno. La figura (5a) muestra la capacitancia específica del electrodo (Ceiec), en (F g’ ¹ ) versus la velocidad de barrido del voltaje aplicado (mV s’ ¹ ); la figura (5b) muestra Ceiec (F g’ ¹ ) versus densidad de corriente (A g’ ¹ ); la figura (5c) muestra el gráfico de Ragone donde se observa la densidad de energía E (W.h kg’ ¹ ) versus la densidad de potencia P (W kg’ ¹ ); la figura (5d) muestra el porcentaje de retención de la capacitancia del electrodo Cretención (%) versus el número de ciclos de carga/descarga aplicados.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente tecnología corresponde al desarrollo de un material para su implementación como dispositivo de almacenamiento y disposición de energía eléctrica. Los materiales a base de grafeno se fabricaron por activación/exfoliación simultánea por el método de intercalación termoquímica, empleando diferentes proporciones en peso de KOH/biocarbono (entre 0,3 - 3,6) para introducir modificaciones en la textura y la química superficial del grafeno y mejorar el rendimiento electroquímico. En las siguientes partes, haremos referencia al material a base de grafeno obtenido con la proporción en peso KOH/biocarbono igual a 1 ,1 .

Se empleó un biocarbono derivado como subproducto de la pirólisis de taninos extraídos de corteza de pino como materia prima. Luego del proceso de activación/exfoliación simultánea (Figura 1a-b) por intercalación termoquímica se obtuvo un material espumoso de geometría cilindrica y composición monolítica compuesto por una mezcla de micro- y nanocarbonos. Este material monolítico fue separado en dos partes, realizando en primer lugar una filtración y lavado en agua caliente (60 °C - 80 °C), empleando embudos Buchner de tamaño medio de paso de filtración. Este paso lo hemos llamado “separación Micro-Nano” (Figura 1c). Los carbonos de tamaño micrométrico quedan retenidos en el filtro mientras que la fracción de material a base de grafeno se localiza en las aguas de filtrado. Esta agua de filtración, conteniendo fracciones de material a base de grafeno, se dejó decantar lentamente entre 20 - 28 horas (Figura 1d), y posteriormente filtrada empleando filtros de membrana comerciales entre 0,1 - 0,45 micrómetros de paso, que permiten la separación de los carbonos nanométñcos, es de decir aquellos materiales a base de grafeno. Esta etapa la hemos llamado “Extracción Nano” (Figura 1e). Los materiales a base de grafeno fueron caracterizados en cuanto a su textura y porosimetría (Figura 2), espectroscopia Raman (Figura 3), y luego empleados para la elaboración de electrodos para su implementación como SC en medio ácido acuoso (H2SO4 1 M) y analizados electroquímicamente por métodos de voltamperometría cíclica (CV) (Figura 4), y de eficiencia energética (Figura 5) haciendo gráficos de Ragone y verificando la retención de capacitancia a largo plazo fue analizada por ciclos consecutivos de carga/descarga galvanostática (GCD).

Los materiales a base de grafeno presentaron altas áreas superficiales, mayores a 900 m ² g ^-1 (Figura 2a) y alto volumen total de poros de 0,455 cm ³ g ^-1 (Figura 2b), indicando que su porosidad está principalmente constituida por supermicroporos con valores de diámetro de poros menores a 1 nm (Figura 2b). Al mismo tiempo, se logró una composición de porosimetría caracterizada por una mezcla de 76% y 24% de micro- y mesoporos, respectivamente (Figura 2c), lo que garantiza la difusión correcta de iones de electrolito a través de la estructura mesoporosa para su almacenamiento en los microporos. Ventajosamente, el espectro RAMAN (Figura 3), muestra que el material obtenido es un material amorfo cuya intensidad en las bandas de vibración correspondientes a los defectos (D1 , D2, D3, y D4) y al modo grafitico (G), que permite concluir que el presente material es óxido de grafeno. Adicionalmente, se pudo verificar por espectroscopia fotoelectrónica de rayos-X que la superficie de este material está constituida por un 88,8 % y 12,2 % de átomos de carbono y oxígeno, respectivamente. Es decir, por cada 1 átomo de oxígeno, este material presenta 7,3 átomos de carbono por cada átomo de oxígeno.

El proceso para elaborar el capacitor electroquímico comprende una etapa de síntesis del material a base de grafeno, y una segunda etapa de elaboración del electrodo, que se detallan a continuación:

1.- Síntesis del material a base de grafeno: que se compone a su vez de 5 sub-etapas.

(a) Alimentación: Mezclar y triturar, en ausencia de solvente, un biocarbono y KOH en una relación de masa KOH/Biocarbono entre 0,3 y 3,6, hasta obtener una pasta; en donde dicho biocarbono se obtiene de la pirólisis de materiales o residuos lignocelulósicos; dichos materiales o residuos lignocelulósicos se obtienen sin limitación desde corteza de pino, roble, caoba, apamate, algarrobo; o más específicamente dicho biocarbono es producido por pirólisis de taninos extraído de corteza de pino: Pinus Radiata.

(b) Activación/Exfoliación: Introducir la pasta obtenida en (a) en un reactor dentro de un horno y cerrar herméticamente bajo flujo de nitrógeno (entre 80 - 120 mL/min); purgar el sistema por 10 - 30 min a temperatura ambiente; calentar a velocidades de calentamiento entre 8 - 12 °C/min, hasta alcanzar una temperatura entre 600 - 800 °C por 0,5 - 1 ,5 h; enfriar el sistema lentamente (3

- 5 h) hasta temperatura ambiente; extraer la pasta exfoliada del horno;

(c) Filtración-1 , Separación Micro-Nano: separar el material obtenido en (b) en dos partes, realizando una primera filtración de partículas mayores a 100 nm de tamaño de partícula, y lavado en agua destilada caliente (60 °C - 80 °C), (Figura 1 c); secar el material sólido obtenido a una temperatura entre 80 - 120 °C por 1

- 3 h; colectar el agua de filtración, la cual se utiliza para la siguiente etapa;

(d) Decantación Nano: trasvasar el agua de filtración obtenida en (c) a un embudo de decantación, filtrar partículas nanométñcas menores a 100 nm de tamaño de partícula, y reposar lentamente entre 20 - 28 h; (e) Filtración-2, Extracción Nano: filtrar el líquido decantado de la etapa (d) empleando un sistema de filtración con filtros de membrana entre 0,1 - 0,45 micrómetros de paso; esta configuración permite la retención de material a base de grafeno; secar dicho material en estufa eléctrica bajo aire estático entre 80 - 120 °C por 1 - 3 h.

2.- Fabricación del electrodo: compuesta por 4 sub-etapas:

(f) Mezclado: Mezclar el material a base de grafeno de la etapa 1 finamente granulado, con politetrafluoroetileno como aglutinante y negro de humo, en una relación de peso igual a 85:10:5, empleando N-metilpirrolidona como solvente; someter esta mezcla a agitación vigorosa entre 125 - 175 rpm entre 10 - 30 minutos;

(g) Elaboración de película: desplegar con varilla de vidrio mezcla obtenida en (f) sobre un soporte inerte, según técnica de Dr. Blade; luego, verificar la calidad de la película obtenida, a través de su observación en un microscopio óptico. Comprobar que la película no tiene fracturas y que es homogénea;

(h) Llenado del Electrolito: Someter película obtenida en (g) a un baño con una solución acuosa del electrolito H2SO41 M entre 6 - 8 días;

(i) Proceso de corte: de la película de material a base de grafeno obtenida en (h), cortar discos de 5 mm de diámetro, con una relación de masa a área de superficie entre 8-10 mg cm ^-2 . Dichos discos son los denominados “electrodos".

Medidas electroquímicas: después de la sub-etapa (i), se analizaron las características electroquímicas de los materiales a base de grafeno en un potenciostato/galvanostato, empleando un sistema de dos electrodos simétricos tipo celdas Swagelok, a 25 °C. También se empleó el sistema tradicional de tres electrodos en el estudio de voltametría cíclica (CV) (Figura 4a) para una mejor estimación del comportamiento pseudocapacitivo del material en la celda (Figura 4b). Los resultados normalizados de la capacitancia del electrodo fabricado en función de la velocidad de barrido y de la densidad de corriente se muestran en la Figura 5a y Figura 5b, respectivamente. Estos electrodos, son útiles en procesos de almacenamiento de energía eléctrica, de acuerdo al gráfico de Ragone (Figura 5c) y a la estabilidad en la retención de la capacitancia (Figura 5d), donde luego de 10000 ciclos de carga/descarga galvanostática.

En conclusión, la solución tecnológica presentada, propone el empleo de materiales a base de grafeno de bajo costo y eco-amigables para su incorporación en capacitores electroquímicos.

EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Ejemplo 1. Elaboración de electrodos como capacitores eléctricos.

El proceso para elaborar un capacitor eléctrico comprendió una síntesis de materiales a base de grafeno por activación/exfoliación por intercalación termoquímica y una de síntesis del electrodo, las que se detallan a continuación: 1 Síntesis del material a base de grafeno: compuesta por 5 sub-etapas.

1 .1 Alimentación. Se prepara una pasta sólida mezclando mecánicamente un biocarbono seguido de KOH por 8 - 12 min. La mezcla se prepara a diferentes relaciones de masa KOH/Biocarbono entre 0,3 - 3,6.

1.2.- Activación/Exfoliación: La pasta se introduce en una porta muestra en el centro de un reactor tubular de cuarzo y este dentro de un horno eléctrico. Se cierra herméticamente y bajo flujo de nitrógeno entre 80 - 120 mL/min, se purga el sistema por 10 - 30 min, a temperatura ambiente, y luego se calienta entre 8 - 12 °C min hasta la temperatura final entre 600 - 800 °C y se mantiene entre 0,5 - 1 ,5 h. Luego de ello, se deja enfriar el sistema entre 3 - 5 h, y luego la muestra se extrae del horno tubular y se pesa.

1 .3.- Filtración- 1 , Separación Micro-Nano: el material obtenido fue separado en dos partes, realizando una primera filtración y lavado en agua caliente entre 60°C - 80°C con un volumen entre 500 - 800 mL de agua destilada, empleando alícuotas de 80 - 120 mL cada una. El material sólido obtenido sobre el filtro es secado entre 80 - 120°C por 1 - 3 h en un horno eléctrico. El agua de filtración colectada se utiliza para la siguiente etapa.

1.4.- Decantación Nano: El agua de filtración conteniendo fracciones de grafeno, se trasvasó a un embudo de decantación, y se dejó reposar entre 20 - 28 h. Este proceso permite observar la decantación progresiva de las fases de carbono nanométricos a base de grafeno. 1.5.- Filtración-2, Extracción Nano: Se procede a la filtración del líquido decantado empleando filtros de membrana comerciales entre 0,1 - 0,45 pm de paso. El material a base de grafeno retenido se seca en estufa entre 80

- 120 °C por 1 - 3 h. Estas condiciones de trabajo permiten obtener rendimientos de síntesis de grafeno entre el 10 - 35%.

2.- Síntesis del electrodo a base del material de grafeno. Está compuesta por 4 sub-etapas:

2.1 . Mezclado. Se mezcla el material a base de grafeno obtenido de la etapa 1 , politetrafluoroetileno, y negro de humo, en una relación de peso igual a 85:10:5, suspendido en el solvente N-metilpirrolidona. Esta mezcla se somete a agitación vigorosa entre 125 - 175 rpm, y entre 10 - 30 minutos;

2.2. Elaboración de película: se coloca la mezcla anterior (sub-etapa 2.1.) sobre un soporte inerte y desplegar con varilla de vidrio según técnica de Dr. Blade. Luego, verificar la calidad de la película obtenida, a través de su observación en un microscopio óptico. Comprobar que la película no tiene fracturas y que es homogénea;

2.3. Llenado del electrolito: la película obtenida en la sub-etapa 2.2. se somete a un baño con una solución acuosa del electrolito H2SO41 M entre 6

- 8 días;

2.4. Proceso de corte: se saca la película obtenida de la sub-etapa 2.3 y se corta discos de 5 mm de diámetro, empleando una relación de masa a superficie entre 8 -10 mg cnr ² . Dichos discos son los denominados “electrodos”.

Ejemplo 2. Evaluación del material a base de grafeno como electrodos para el almacenamiento de energía eléctrica.

1 . Voltametría cíclica y capacitancia de celda.

Las medidas electroquímicas del material se hicieron empleando el sistema de dos electrodos simétricos tipo celdas Swagelok, a 25 °C en el estudio de voltametría cíclica (CV) y de la capacitancia de la celda. En la Figura 4a se muestran los resultados obtenidos de la densidad de corriente observada a diferentes velocidades de barrido entre 5 y 300 mV s ^-1 empleando una ventana de potencial entre 0 - 0,9 V para el material a base de grafeno. A partir de los datos de densidad de corriente en cada velocidad de barrido, se obtienen los valores de capacitancia de celda (Cceii, F g ^-1 ) que se representan en la Figura 4b como una función de la velocidad de barrido.

2. Capacitancia del electrodo, gráficos de Ragone y estabilidad del electrodo. Esta configuración de dos electrodos simétricos tipo celdas Swagelok permite obtener directamente la capacitancia específica del electrodo (Ceiec) desde los datos obtenidos en la celda (Cceii), dado que Ceiec = 4 Cceii. De esta forma, los resultados normalizados de la capacitancia del electrodo en función de la velocidad de barrido y de la densidad de corriente se muestran en la Figura 5a y Figura 5b, respectivamente. Se puede apreciar que empleando una velocidad de barrido de 5 mV s ^-1 , la Ceiec máxima observada por el electrodo es de cerca de 157 F g ¹ (Figura 5a) mientras que empleando densidades de corriente de 0,2 A g ^-1 , se observó una Ceiec máxima de 194 F g ^-1 .

Para demostrar que los electrodos fabricados son útiles en el almacenamiento de energía eléctrica, se realizó un gráfico tipo Ragone (Figure 5c) el cual muestra que empleando densidades de corriente de 1 A g ¹ , comparable a la de algunos dispositivos electrónicos comerciales, se obtienen densidades de energía entre 3,8 - 4,0 Wh kg ¹ empleando densidades de potencia entre 210 — 220 W kg ¹ . Al mismo tiempo, se comprobó la estabilidad de trabajo en la retención de la capacitancia del material a base de grafeno a largo plazo (Figura 5d), donde luego de 10000 ciclos de carga/descarga galvanostática, el material retuvo entre 76 - 78 % de su capacitancia específica original.

De esta forma, las prestaciones electroquímicas observadas, tanto en capacitancia específica, densidad de corriente y ciclabilidad, muestran que los electrodos elaborados son claramente superiores a la mayoría de los capacitores electroquímicos reportados en publicaciones [2-12] y/o en los documentos US8784764B2, US6060424, US8940145B1 , indicados anteriormente.

En conclusión, en base a estos antecedentes, se puede concluir que la presente invención proporciona un proceso sumamente útil, sencillo, económico, eco- amigable, y escalable, para la producción de materiales a base de grafeno para 5 su empleo como electrodos en capacitores electroquímicos para el almacenamiento de energía eléctrica.