La combinación de las diferentes propiedades de estos xerogeles de carbón ha convertido a estos materiales en perfectos candidatos para un número muy importante de aplicaciones como electrodos en supercondensadores (Wang et al., 2012), baterías de litio (Lee et al., 2005) pilas de combustible (Zubizarreta et al., 2010), sistemas de desalinización (AlMarzooqi et al., 2014), soportes para catálisis y electrocatálisis (Moreno-Castilla et al., 2005), materiales de adsorción rápida (Adebajo et al., 2003) e incluso como músculos artificiales (Aliev et al., 2009).
Los materiales porosos de carbono han jugado un rol muy significativo en el desarrollo de tecnología de energías limpias y sostenibles tras la aparición de un número considerable de trabajos que utilizan carbón como materiales de electrodo en condensadores eléctricos por su alta porosidad y su buena conductividad eléctrica (Candelaria et al., 2012). De acuerdo con el mecanismo de almacenamiento de carga se distinguen dos tipos de condensadores eléctricos. El primero son los condensadores electroquímicos de doble capa, también conocidos como supercondensadores, donde el mecanismo que gobierna el proceso de almacenamiento de carga es la formación de la doble capa eléctrica en la interfase electrodo-electrolito (Kötz et al., 2000) siendo la capacidad proporcional al área superficial del electrodo. Por otro lado están los conocidos como pseudocondensadores o condensadores redox que se basan en electrodos formados por un oxido de un metal de transición o polímeros conductores que almacenan energía por reacciones redox. Teniendo en cuenta que la capacidad de un condensador depende de la superficie del electrodo y del grosor de la doble capa, se necesitan materiales de alta superficie específica donde exista además una separación de carga, en la superficie del electrodo, lo más pequeña posible. La mayor diferencia entre los supercondensadores y los condensadores tradicionales es que en los primeros se adsorben y desorben iones cargados de un electrolito formando una doble capa en la superficie de un electrodo poroso mientras que en los segundos se utiliza un material dieléctrico para separar la carga. La ventaja de los supercondensadores es que la distancia de separación de cargas es del orden de los nanómetros, como consecuencia de la disociación de iones de la sal que actúa como electrolito. Los valores típicos de
capacidad por unidad de área en supercondensadores se encuentran entre 10 y 20 μF cm-
2. Esto significa que para este tipo de carbones que poseen una alta superficie específica
se obtienen capacidades específicas mayores de 100 F g-1 (Kötz et al., 2000), lo que se
traduce en una densidades de energía de 5Wh kg-1 y una densidad de potencia de 10kW
kg-1 (Simon et al., 2008). Entre los diferentes tipos de carbones porosos utilizados para
este fin como los nanotubos de carbono (Obreja et al., 2008), o los carbones activados procedentes de fuentes naturales (Inagaki et al., 2010), los carbones obtenidos por procesos sol-gel han demostrado ser uno de los mejores candidatos. Esto se debe no solo por sus buenas propiedades a nivel poroso como su alta área superficial, estructura porosa controlable, sino también por poseer buena conductividad, alta capacidad de almacenamiento de energía y un gran ciclo de vida útil (Calvo et al., 2010). Según algunos estudios realizados para este tipo de carbones en electrolitos acuosos, parece claro que la contribución mayoritaria a la capacidad es debida a los microporos mientras que los mesoporos actúan como canales de transporte para una rápida difusión del electrolito (Frackowiak et al., 2001). Como ya se mencionó, durante la síntesis de los xerogeles de carbón, se puede modular la porosidad tan solo controlando los parámetros de síntesis permitiendo crear un balance adecuado entre la microporosidad y la mesoporosidad que consigue optimizar las propiedades de los supercondensadores. La capacidad de los xerogeles de carbón medidos utilizando electrolitos acuosos se
encuentra entre 150 y 190 F g-1 (Zhang et al., 2007) para carbones con áreas entre 700 y
800 m2 g-1, siendo algo más bajos (en torno a 120 F g-1) cuando el área se encuentra en
torno a 600 m2 g-1 (Calvo et al., 2011). Un método anteriormente citado para aumentar
la superficie de estos carbones es la activación, con ella se han obtenido valores mayores de capacidad llegando hasta 284 F g-1 (Zhu et al., 2007), un valor que es comparable al de otros materiales de carbón comúnmente usados como supercondensadores (Shi, 1996). El almacenamiento de energía por doble capa no es el único mecanismo mediante el cual se puede almacenar carga. Las reacciones faradaicas entre el electrodo y el electrolito que suceden en la superficie, son otro mecanismo por el que se puede almacenar energía mejorando la capacidad del supercondensador. Existen algunos métodos para introducir pseudocapacidad en los materiales de carbón. Por un lado se puede funcionalizar la superficie dopando el carbón con grupos que contienen heteroátomos como oxígeno (quinonas) (Frackowiak, 2007) nitrógeno y boro (Sepehri et al., 2009). Otra forma de mejorar la capacidad de los carbones por pseudocapacidad consiste en la introducción de polímeros conductores y óxidos metálicos en la estructura porosa. Aunque los polímeros conductores como la polianilina o el polipirrol alcanzan altos valores de capacidad, tienen la limitación de que no son estables cuando se someten a múltiples ciclos de carga y descarga (Jurewicz et al., 2001). En cuanto a los óxidos metálicos, el óxido de rutenio es uno de los más estudiados ya que soporta grandes ventanas de voltaje y tiene una alta capacidad específica. El principal inconveniente es que es demasiado caro para hacer viable su uso en condensadores, por ello se está trabajando con otros óxidos metálicos más baratos
como el MnO2 (Lee, et al., 2011).
En los últimos años, el uso de materiales de carbón nanoestructurados derivados de resorcinol formaldehido como ánodos en baterías de ión litio (Lee et al., 2005) y
descarga (Mirzaeian et al., 2010). También se han empleado como electrolitos para baterías de litio-aire, líquidos iónicos basados en sales de amonio cuaternario. Su mayor estabilidad térmica, baja inflamabilidad y su reducida presión de vapor les han convertido en potenciales candidatos para aplicaciones en atmósfera abierta (Arbizzani et al., 2011). El principal problema de estos electrolitos es que su alta viscosidad implica una pobre difusión de oxígeno, por ello es importante utilizar como electrodo un material de porosidad jerarquizada que facilite el transporte.