Supercondensador

Un supercondensador ( SC ), también llamado ultracondensador , es un condensador de alta capacidad , con un valor de capacitancia mucho mayor que el de los condensadores de estado sólido, pero con límites de voltaje más bajos . Cubre la brecha entre los condensadores electrolíticos y las baterías recargables . Normalmente almacena entre 10 y 100 veces más energía por unidad de masa o energía por unidad de volumen que los condensadores electrolíticos, puede aceptar y suministrar carga mucho más rápido que las baterías y tolera muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables. ^[¹^]

A diferencia de los condensadores ordinarios, los supercondensadores no utilizan un dieléctrico sólido convencional , sino que utilizan capacitancia de doble capa electrostática y pseudocapacitancia electroquímica , ^[²^] las cuales contribuyen al almacenamiento total de energía del condensador.

Los supercondensadores se utilizan en aplicaciones que requieren muchos ciclos rápidos de carga/descarga, en lugar de almacenamiento de energía compacto a largo plazo: en automóviles, autobuses, trenes, grúas y ascensores se utilizan para frenado regenerativo , almacenamiento de energía a corto plazo o suministro de energía en modo ráfaga. ^{[ 3 ]} Las unidades más pequeñas se utilizan como respaldo de energía para memoria de acceso aleatorio estática (SRAM).

Fondo

Los mecanismos de almacenamiento de carga electroquímica en medios sólidos se pueden clasificar aproximadamente (con cierta superposición) en 3 tipos:

Los condensadores electrostáticos de doble capa ( EDLC ) utilizan electrodos de carbono o derivados con una capacitancia de doble capa electrostática mucho mayor que la pseudocapacitancia electroquímica, logrando la separación de carga en una doble capa de Helmholtz en la interfaz entre la superficie de un electrodo conductor y un electrolito . La separación de carga es del orden de unos pocos angstroms (0,3–0,8 nm ), mucho menor que en un condensador convencional. La carga eléctrica en los EDLC se almacena en una interfase bidimensional (superficie) de un conductor electrónico (por ejemplo, una partícula de carbono) y un conductor iónico ( solución electrolítica ).
Las baterías con materiales electroactivos sólidos almacenan carga en fases sólidas masivas en virtud de reacciones químicas redox .^[⁴^]
Los supercondensadores electroquímicos (ECSC) se sitúan entre los supercondensadores electroquímicos de doble capa (EDLC) y las baterías. Los ECSC utilizan electrodos de óxido metálico o polímero conductor con una elevada pseudocapacitancia electroquímica, además de la capacitancia de doble capa. La pseudocapacitancia se logra mediante la transferencia de carga electrónica faradaica con reacciones redox , intercalación o electrosorción .

En los capacitores de estado sólido , las cargas móviles son electrones y el espacio entre los electrodos es una capa dieléctrica . En los capacitores electroquímicos de doble capa , las cargas móviles son iones solvatados ( cationes y aniones ), y el espesor efectivo está determinado en cada uno de los dos electrodos por su estructura de doble capa electroquímica . En las baterías, la carga se almacena en el volumen de fases sólidas, que poseen conductividad tanto electrónica como iónica . En los supercondensadores electroquímicos, los mecanismos de almacenamiento de carga combinan los mecanismos de doble capa y de batería, o se basan en mecanismos intermedios entre la doble capa y la batería.

Historia

A principios de la década de 1950, los ingenieros de General Electric comenzaron a experimentar con electrodos de carbono poroso en el diseño de capacitores, pilas de combustible y baterías recargables . El carbón activado es un conductor eléctrico que es una forma de carbono extremadamente porosa y "esponjosa" con una gran superficie específica . En 1957, H. Becker desarrolló un "condensador electrolítico de bajo voltaje con electrodos de carbono poroso". ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Creía que la energía se almacenaba como una carga en los poros del carbono, como en los poros de las láminas grabadas de los capacitores electrolíticos. Dado que desconocía el mecanismo de doble capa en ese momento, escribió en la patente: "No se sabe con exactitud qué sucede en el componente cuando se usa para el almacenamiento de energía, pero conduce a una capacidad extremadamente alta".

General Electric no continuó inmediatamente con este trabajo. En 1966, investigadores de Standard Oil of Ohio (SOHIO) desarrollaron otra versión del componente como "aparato de almacenamiento de energía eléctrica", mientras trabajaban en diseños experimentales de pilas de combustible . ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} La naturaleza del almacenamiento de energía electroquímica no se describió en esta patente. Incluso en 1970, el condensador electroquímico patentado por Donald L. Boos se registró como un condensador electrolítico con electrodos de carbón activado. ^{[ 10 ]}

Los primeros condensadores electroquímicos utilizaban dos láminas de aluminio recubiertas de carbón activado (los electrodos), sumergidas en un electrolito y separadas por un aislante poroso delgado. Este diseño proporcionaba un condensador con una capacitancia del orden de un faradio , significativamente superior a la de los condensadores electrolíticos de las mismas dimensiones. Este diseño mecánico básico sigue siendo la base de la mayoría de los condensadores electroquímicos.

SOHIO no comercializó su invención, sino que cedió la licencia de la tecnología a NEC , que finalmente comercializó los resultados como "supercondensadores" en 1978, para proporcionar energía de respaldo para la memoria de las computadoras. ^{[ 9 ]}

Entre 1975 y 1980, Brian Evans Conway realizó un extenso trabajo fundamental y de desarrollo sobre capacitores electroquímicos de óxido de rutenio . En 1991, describió la diferencia entre el comportamiento de un "supercondensador" y el de una "batería" en el almacenamiento electroquímico de energía. En 1999, definió el término "supercondensador" para referirse al aumento de la capacitancia observada mediante reacciones redox superficiales con transferencia de carga faradaica entre electrodos e iones. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} Su "supercondensador" almacenaba carga eléctrica parcialmente en la doble capa de Helmholtz y parcialmente como resultado de reacciones faradaicas con transferencia de carga de "pseudocapacitancia" de electrones y protones entre el electrodo y el electrolito. Los mecanismos de funcionamiento de los pseudocapacitores son las reacciones redox, la intercalación y la electrosorción (adsorción sobre una superficie). Con su investigación, Conway amplió enormemente el conocimiento sobre capacitores electroquímicos.

El mercado se expandió lentamente. Eso cambió alrededor de 1978 cuando Panasonic comercializó su marca Goldcaps. ^{[ 13 ]} Este producto se convirtió en una fuente de energía exitosa para aplicaciones de respaldo de memoria. ^{[ 9 ]} La competencia comenzó solo años después. En 1987, los ELNA "Dynacap" entraron al mercado. ^{[ 14 ]} Los EDLC de primera generación tenían una resistencia interna relativamente alta que limitaba la corriente de descarga. Se usaban para aplicaciones de baja corriente, como alimentar chips SRAM o para respaldo de datos.

A finales de la década de 1980, la mejora de los materiales de los electrodos aumentó los valores de capacitancia. Al mismo tiempo, el desarrollo de electrolitos con mejor conductividad redujo la resistencia serie equivalente (ESR), incrementando las corrientes de carga/descarga. El primer supercondensador con baja resistencia interna se desarrolló en 1982 para aplicaciones militares a través del Pinnacle Research Institute (PRI), y se comercializó bajo la marca "PRI Ultracapacitor". En 1992, Maxwell Laboratories (más tarde Maxwell Technologies ) se hizo cargo de este desarrollo. Maxwell adoptó el término Ultracapacitor de PRI y los denominó "Boost Caps" ^{[ 15 ]} para destacar su uso en aplicaciones de potencia.

Dado que el contenido energético de los capacitores aumenta con el cuadrado del voltaje, los investigadores buscaban una forma de aumentar el voltaje de ruptura del electrolito . En 1994, utilizando el ánodo de un capacitor electrolítico de tantalio de alto voltaje de 200 V , David A. Evans desarrolló un "condensador electroquímico híbrido electrolítico". ^[¹⁶^]^[¹⁷^] Estos capacitores combinan características de capacitores electrolíticos y electroquímicos. Combinan la alta rigidez dieléctrica de un ánodo de un capacitor electrolítico con la alta capacitancia de un cátodo de óxido metálico pseudocapacitivo ( óxido de rutenio (IV)) de un capacitor electroquímico, lo que da como resultado un capacitor electroquímico híbrido. Los capacitores de Evans, denominados Capattery, ^[¹⁸^] tenían un contenido energético aproximadamente 5 veces mayor que un capacitor electrolítico de tantalio comparable del mismo tamaño. ^[¹⁹^] Sus altos costos los limitaron a aplicaciones militares específicas.

Entre los avances recientes se encuentran los condensadores de iones de litio . Estos condensadores híbridos fueron desarrollados por primera vez por FDK de Fujitsu en 2007. ^{[ 20 ]} Combinan un electrodo de carbono electrostático con un electrodo electroquímico de iones de litio pre-dopado. Esta combinación aumenta el valor de capacitancia. Además, el proceso de pre-dopaje reduce el potencial del ánodo y da como resultado un alto voltaje de salida de la celda, lo que incrementa aún más la energía específica.

Los departamentos de investigación activos en muchas empresas y universidades ^{[ 21 ]} están trabajando para mejorar características como la energía específica, la potencia específica y la estabilidad del ciclo y para reducir los costos de producción.

Diseño

Diseño básico

Los condensadores electroquímicos (supercondensadores) constan de dos electrodos separados por una membrana permeable a los iones ( separador ) y un electrolito que los conecta iónicamente. Al aplicarles un voltaje, los iones del electrolito polarizan los electrodos, formando capas eléctricas dobles de polaridad opuesta a la de los electrodos. Por ejemplo, los electrodos polarizados positivamente presentan una capa de iones negativos en la interfaz electrodo/electrolito, junto con una capa de iones positivos que compensa la carga y se adsorbe sobre la capa negativa. Lo contrario ocurre con los electrodos polarizados negativamente.

Además, dependiendo del material del electrodo y la forma de la superficie, algunos iones pueden atravesar la doble capa, convirtiéndose en iones adsorbidos específicamente y contribuyendo con pseudocapacitancia a la capacitancia total del supercondensador.

Distribución de capacitancia

Los dos electrodos forman un circuito en serie de dos condensadores individuales . $C_{1}$ y $C_{2}$ ⁠ . La capacitancia total ⁠ $C_{\mathrm {total} }$ Se obtiene mediante la fórmula $C_{\mathrm {total} }={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}.$

Los supercondensadores pueden tener electrodos simétricos o asimétricos. La simetría implica que ambos electrodos tienen el mismo valor de capacitancia, lo que da como resultado una capacitancia total de la mitad del valor de cada electrodo individual (si ⁠ $C_{1}=C_{2}$ ⁠ , entonces ⁠ $\textstyle C_{\mathrm {total} }={1 \over 2}C_{1}$ ⁠ ). Para capacitores asimétricos, la capacitancia total puede tomarse como la del electrodo con la capacitancia más pequeña (si ⁠ $C_{1}\gg C_{2}$ ⁠ , entonces ⁠ $C_{\mathrm {total} }\approx C_{2}$ ⁠ ).

Principios de almacenamiento

Los capacitores electroquímicos utilizan el efecto de doble capa para almacenar energía eléctrica; sin embargo, esta doble capa no tiene un dieléctrico sólido convencional para separar las cargas. Hay dos principios de almacenamiento en la doble capa eléctrica de los electrodos que contribuyen a la capacitancia total de un capacitor electroquímico: ^{[ 22 ]}

Capacitancia de doble capa , almacenamiento electrostático de energía eléctrica logrado mediante la separación de carga en una doble capa de Helmholtz. ^{[ 23 ]}
Pseudocapacitancia , almacenamiento electroquímico de energía eléctrica. El tipo original utiliza reacciones redox faradaicas con transferencia de carga. ^{[ 15 ]}

Ambas capacitancias solo pueden separarse mediante técnicas de medición. La cantidad de carga almacenada por unidad de voltaje en un capacitor electroquímico depende principalmente del tamaño del electrodo, aunque la capacitancia de cada principio de almacenamiento puede variar enormemente.

capacitancia de doble capa eléctrica

Vista simplificada de una doble capa de iones negativos en el electrodo e iones positivos solvatados en el electrolito líquido, separados por una capa de moléculas de disolvente polarizadas.

Cada capacitor electroquímico tiene dos electrodos, separados mecánicamente por un separador, que están conectados iónicamente entre sí a través del electrolito . El electrolito es una mezcla de iones positivos y negativos disueltos en un disolvente como el agua. En cada una de las superficies de los dos electrodos se origina un área donde el electrolito líquido entra en contacto con la superficie metálica conductora del electrodo. Esta interfaz forma un límite común entre dos fases diferentes de la materia, como una superficie de electrodo sólido insoluble y un electrolito líquido adyacente . En esta interfaz ocurre un fenómeno muy especial: el efecto de doble capa . ^{[ 24 ]}

Al aplicar un voltaje a un condensador electroquímico, ambos electrodos generan capas eléctricas dobles. Estas capas dobles constan de dos capas de carga: una capa electrónica en la estructura reticular superficial del electrodo y otra, con polaridad opuesta, proveniente de iones disueltos y solvatados en el electrolito. Ambas capas están separadas por una monocapa de moléculas de disolvente , por ejemplo, agua , denominada plano interno de Helmholtz (IHP). Las moléculas de disolvente se adhieren por adsorción física a la superficie del electrodo, separando los iones de polaridad opuesta, y pueden idealizarse como un dieléctrico molecular. En este proceso, no hay transferencia de carga entre el electrodo y el electrolito, por lo que las fuerzas que causan la adhesión no son enlaces químicos, sino fuerzas físicas, como las electrostáticas. Las moléculas adsorbidas se polarizan, pero, debido a la falta de transferencia de carga entre el electrolito y el electrodo, no experimentan cambios químicos.

La cantidad de carga en el electrodo se corresponde con la magnitud de las contracargas en el plano de Helmholtz externo (OHP). Este fenómeno de doble capa almacena cargas eléctricas como en un condensador convencional. La carga de la doble capa genera un campo eléctrico estático en la capa molecular de las moléculas del disolvente en el IHP, que se corresponde con la intensidad del voltaje aplicado.

Estructura y función de un capacitor de doble capa ideal. Al aplicar un voltaje al capacitor en ambos electrodos, se formará una doble capa de Helmholtz que separará los iones en el electrolito en una distribución de carga simétrica de polaridad opuesta.

La doble capa funciona aproximadamente como la capa dieléctrica en un condensador convencional, aunque con el grosor de una sola molécula. Por lo tanto, se puede utilizar la fórmula estándar para condensadores de placas convencionales para calcular su capacitancia: ^{[ 25 ]} $C=\varepsilon {\frac {A}{d}}.$

En consecuencia, la capacitancia $C$ Es mayor en los condensadores fabricados con materiales de alta permitividad . $\varepsilon$ , grandes superficies de placas de electrodos $A$ y una pequeña distancia entre las placas . $d$ ⁠ . Como resultado, los condensadores de doble capa tienen valores de capacitancia mucho más altos que los condensadores convencionales, debido a la superficie extremadamente grande de los electrodos de carbón activado y a la distancia de doble capa extremadamente delgada del orden de unos pocos åangströms (0,3–0,8 nm ), del orden de la longitud de Debye . ^{[ 15 ]}^{[ 23 ]}

Suponiendo que la distancia mínima entre el electrodo y la región de acumulación de carga no puede ser menor que la distancia típica entre cargas negativas y positivas en átomos de~0,05 nm un límite superior de capacitancia general deSe ha predicho ~18 μF/cm ² para capacitores no faradaicos. ^{[ 26 ]}

El principal inconveniente de los electrodos de carbono en los supercondensadores de doble capa reside en los bajos valores de capacitancia cuántica , que actúan en serie ^[²⁷^] con la capacitancia de la carga espacial iónica . Por lo tanto, un mayor aumento de la densidad de capacitancia en los SC puede vincularse con un aumento de la capacitancia cuántica de las nanoestructuras de los electrodos de carbono.

La cantidad de carga almacenada por unidad de voltaje en un condensador electroquímico depende principalmente del tamaño del electrodo. El almacenamiento electrostático de energía en las capas dobles es lineal con respecto a la carga almacenada y corresponde a la concentración de iones adsorbidos. Además, mientras que en los condensadores convencionales la carga se transfiere mediante electrones, la capacitancia en los condensadores de doble capa está relacionada con la velocidad limitada de movimiento de los iones en el electrolito y la estructura porosa resistiva de los electrodos. Dado que no se producen cambios químicos dentro del electrodo ni del electrolito, la carga y descarga de las capas dobles eléctricas es, en principio, ilimitada. La vida útil de los supercondensadores reales solo está limitada por los efectos de la evaporación del electrolito.

pseudocapacitancia electroquímica

Vista simplificada de una doble capa con iones adsorbidos específicamente que han cedido su carga al electrodo para explicar la transferencia de carga faradaica de la pseudocapacitancia.

Al aplicar un voltaje en los terminales del condensador electroquímico, los iones del electrolito se desplazan hacia el electrodo polarizado opuesto y forman una doble capa en la que una sola capa de moléculas de disolvente actúa como separador. La pseudocapacitancia puede originarse cuando iones adsorbidos específicamente del electrolito penetran la doble capa. Esta pseudocapacitancia almacena energía eléctrica mediante reacciones redox faradaicas reversibles en la superficie de electrodos adecuados en un condensador electroquímico con una doble capa eléctrica . ^[¹¹^]^[²²^]^[²³^]^[²⁸^]^[²⁹^] La pseudocapacitancia se acompaña de una transferencia de carga electrónica entre el electrolito y el electrodo proveniente de un ion desolvatado y adsorbido , en la que participa solo un electrón por unidad de carga. Esta transferencia de carga faradaica se origina mediante una secuencia muy rápida de procesos redox reversibles, de intercalación o de electrosorción . El ion adsorbido no tiene reacción química con los átomos del electrodo (no se forman enlaces químicos ^[³⁰^] ) ya que solo tiene lugar una transferencia de carga.

Un voltamograma cíclico (VC) muestra las diferencias fundamentales entre la capacitancia estática (rectangular) y la pseudocapacitancia (curva).

Los electrones involucrados en los procesos faradaicos se transfieren hacia o desde los estados de valencia ( orbitales ) del reactivo del electrodo redox. Entran en el electrodo negativo y fluyen a través del circuito externo hacia el electrodo positivo, donde se ha formado una segunda bicapa con igual número de aniones. Los electrones que llegan al electrodo positivo no se transfieren a los aniones que forman la bicapa, sino que permanecen en los iones de metales de transición fuertemente ionizados y con alta afinidad electrónica de la superficie del electrodo. Por lo tanto, la capacidad de almacenamiento de la pseudocapacitancia faradaica está limitada por la cantidad finita de reactivo en la superficie disponible.

Una pseudocapacitancia faradaica solo ocurre junto con una capacitancia estática de doble capa , y su magnitud puede exceder el valor de la capacitancia de doble capa para la misma área superficial en un factor de 100, dependiendo de la naturaleza y la estructura del electrodo, porque todas las reacciones de pseudocapacitancia tienen lugar solo con iones desolvatados, que son mucho más pequeños que el ion solvatado con su capa de solvatación. ^{[ 11 ]}^{[ 28 ]} La cantidad de pseudocapacitancia tiene una función lineal dentro de límites estrechos determinados por el grado de cobertura superficial dependiente del potencial de los aniones adsorbidos.

La capacidad de los electrodos para generar efectos de pseudocapacitancia mediante reacciones redox, intercalación o electrosorción depende en gran medida de la afinidad química de los materiales del electrodo con los iones adsorbidos en su superficie, así como de la estructura y el tamaño de los poros del electrodo. Los materiales que presentan comportamiento redox para su uso como electrodos en pseudocapacitores son óxidos de metales de transición como _RuO₂ , IrO₂ o MnO₂ insertados mediante dopaje en el material conductor del electrodo _, como el carbón activado, así como polímeros conductores como la polianilina o derivados del politiofeno que recubren el material del electrodo _.

La cantidad de carga eléctrica almacenada en una pseudocapacitancia es directamente proporcional al voltaje aplicado . La unidad de medida de la pseudocapacitancia es el faradio , al igual que la de la capacitancia.

Aunque los materiales de electrodo convencionales tipo batería también utilizan reacciones químicas para almacenar carga, muestran perfiles eléctricos muy diferentes, ya que la tasa de descarga está limitada por la velocidad de difusión . Al moler estos materiales a nanoescala, se liberan del límite de difusión y adquieren un comportamiento más pseudocapacitivo, convirtiéndolos en pseudocapacitores extrínsecos . Chodankar muestra las curvas representativas de voltaje-capacidad para LiCoO₂ _a granel , nano LiCoO₂ , un pseudocapacitor redox ( RuO₂ ₎ y un pseudocapacitor de intercalación ( ^T - _Nb₂O₅₎ . ^[³¹^]^:₅

condensadores asimétricos

Los supercondensadores también pueden fabricarse con diferentes materiales y principios en los electrodos. Si ambos materiales utilizan una reacción rápida, propia de un supercondensador (capacitancia o pseudocapacitancia), el resultado se denomina condensador asimétrico. Los dos electrodos tienen potenciales eléctricos diferentes; al combinarlos con un equilibrio adecuado, se obtiene una mayor densidad de energía sin pérdida de vida útil ni de capacidad de corriente. ^{[ 31 ]}^{: 8}

condensadores híbridos

Varios supercondensadores más recientes son "híbridos": solo un electrodo utiliza una reacción rápida (capacitancia o pseudocapacitancia), mientras que el otro utiliza un material más "similar a una batería" (más lento pero de mayor capacidad). Los condensadores híbridos combinan la cinética rápida de carga/descarga de los condensadores de doble capa eléctrica (EDLC) con la alta densidad de energía de los electrodos pseudocapacitivos o de tipo batería. Estos sistemas cierran la brecha entre los condensadores convencionales y las baterías, lo que los hace fundamentales para aplicaciones que requieren tanto potencia como densidad de energía. ^{[ 32 ]} Por ejemplo, un ánodo EDLC se puede combinar con un cátodo de carbón activado – Ni(OH) ₂ , siendo este último un material faradaico lento. Los perfiles CV y GCD de un condensador híbrido tienen una forma intermedia entre la de una batería y la de un supercondensador, más similar a la de un SC. Los condensadores híbridos tienen una densidad de energía mucho mayor, pero una vida útil y capacidad de corriente inferiores debido al electrodo más lento. ^{[ 31 ]}^{: 7}

Distribución potencial

El comportamiento del voltaje de los supercondensadores y las baterías durante la carga/descarga difiere claramente.

Los capacitores convencionales (también conocidos como capacitores electrostáticos), como los capacitores cerámicos y los capacitores de película , constan de dos electrodos separados por un material dieléctrico . Al cargarse, la energía se almacena en un campo eléctrico estático que impregna el dieléctrico entre los electrodos. La energía total aumenta con la cantidad de carga almacenada, que a su vez se correlaciona linealmente con el potencial (voltaje) entre las placas. La diferencia de potencial máxima entre las placas (el voltaje máximo) está limitada por la rigidez dieléctrica . El mismo almacenamiento estático también se aplica a los capacitores electrolíticos, en los que la mayor parte del potencial disminuye sobre la delgada capa de óxido del ánodo . El electrolito líquido, ligeramente resistivo ( cátodo ), provoca una pequeña disminución del potencial en los capacitores electrolíticos "húmedos", mientras que en los capacitores electrolíticos con electrolito de polímero conductor sólido, esta caída de voltaje es insignificante.

En contraste, los condensadores electroquímicos (supercondensadores) constan de dos electrodos separados por una membrana permeable a los iones (separador) y conectados eléctricamente mediante un electrolito. El almacenamiento de energía se produce en las capas dobles de ambos electrodos como una combinación de capacitancia de doble capa y pseudocapacitancia. Cuando ambos electrodos tienen aproximadamente la misma resistencia ( resistencia interna ), el potencial del condensador disminuye simétricamente en ambas capas dobles, lo que resulta en una caída de voltaje a través de la resistencia serie equivalente (ESR) del electrolito. En el caso de supercondensadores asimétricos, como los condensadores híbridos, la caída de voltaje entre los electrodos puede ser asimétrica. El potencial máximo a través del condensador (el voltaje máximo) está limitado por el voltaje de descomposición del electrolito.

Tanto el almacenamiento de energía electrostática como el electroquímico en supercondensadores presentan una relación lineal con la carga almacenada, al igual que en los condensadores convencionales. La tensión entre los terminales del condensador es lineal con respecto a la cantidad de energía almacenada. Esta relación lineal de tensión difiere de la de las baterías electroquímicas recargables, en las que la tensión entre los terminales permanece independiente de la cantidad de energía almacenada, proporcionando una tensión relativamente constante.

Comparación con otras tecnologías de almacenamiento

Los supercondensadores compiten con los condensadores electrolíticos y las baterías recargables, especialmente las de iones de litio . La siguiente tabla compara los principales parámetros de las tres familias principales de supercondensadores con los de los condensadores electrolíticos y las baterías.

Los condensadores electrolíticos cuentan con ciclos de carga/descarga prácticamente ilimitados y una alta rigidez dieléctrica (hasta550 V ) y buena respuesta en frecuencia como reactancia de corriente alterna (CA) en el rango de baja frecuencia. Los supercondensadores pueden almacenar de 10 a 100 veces más energía que los condensadores electrolíticos, pero no admiten aplicaciones de CA.

En lo que respecta a las baterías recargables, los supercondensadores ofrecen corrientes pico más altas, bajo costo por ciclo, ausencia de riesgo de sobrecarga, buena reversibilidad, electrolito no corrosivo y baja toxicidad de los materiales. Las baterías ofrecen un menor costo de compra y un voltaje estable durante la descarga, pero requieren equipos de control y conmutación electrónicos complejos, con la consiguiente pérdida de energía y riesgo de chispas en caso de cortocircuito.

Estilos

Diseño plano de un supercondensador utilizado en componentes móviles.

Los supercondensadores se fabrican en diferentes estilos, como planos con un solo par de electrodos, enrollados en una carcasa cilíndrica o apilados en una carcasa rectangular. Debido a que abarcan un amplio rango de valores de capacitancia, el tamaño de las carcasas puede variar.

Los supercondensadores se construyen con dos láminas metálicas (colectores de corriente), cada una recubierta con un material de electrodo como el carbón activado, que sirve como conexión eléctrica entre el material del electrodo y los terminales externos del condensador. El material del electrodo posee una superficie muy grande. En este ejemplo, el carbón activado se graba electroquímicamente, de modo que su superficie es aproximadamente 100 000 veces mayor que la de una superficie lisa. Los electrodos se mantienen separados por una membrana permeable a los iones (separador) que actúa como aislante para protegerlos contra cortocircuitos . Esta estructura se enrolla o pliega en forma cilíndrica o rectangular y se puede apilar en una lata de aluminio o una carcasa rectangular adaptable. A continuación, la celda se impregna con un electrolito líquido o viscoso de tipo orgánico o acuoso. El electrolito, un conductor iónico, penetra en los poros de los electrodos y sirve como conexión conductora entre ellos a través del separador. Finalmente, la carcasa se sella herméticamente para garantizar un comportamiento estable durante su vida útil.

Tipos

La energía eléctrica se almacena en los supercondensadores mediante dos principios de almacenamiento: capacitancia estática de doble capa y pseudocapacitancia electroquímica ; y la distribución de ambos tipos de capacitancia depende del material y la estructura de los electrodos. Existen tres tipos de supercondensadores según su principio de almacenamiento: ^{[ 15 ]}^{[ 23 ]}

Condensadores de doble capa ( EDLC ): con electrodos de carbón activado o derivados con una capacitancia de doble capa electrostática mucho mayor que la pseudocapacitancia electroquímica.
Pseudocapacitores : con electrodos de óxido de metal de transición o polímero conductor con una alta pseudocapacitancia electroquímica.
Condensadores híbridos : con electrodos asimétricos, uno de los cuales presenta principalmente capacitancia electrostática y el otro principalmente capacitancia electroquímica, como los condensadores de iones de litio.

Debido a que la capacitancia de doble capa y la pseudocapacitancia contribuyen inseparablemente al valor de capacitancia total de un condensador electroquímico, una descripción correcta de estos condensadores solo puede darse bajo el término genérico. Los conceptos de supercapatería y supercabotería se han propuesto recientemente para representar mejor aquellos dispositivos híbridos que se comportan más como el supercondensador y la batería recargable, respectivamente. ^{[ 38 ]}

El valor de capacitancia de un supercondensador está determinado por dos principios de almacenamiento:

Capacitancia de doble capa : almacenamiento electrostático de energía eléctrica logrado mediante la separación de carga en una doble capa de Helmholtz en la interfaz entre la superficie de un electrodo conductor y una solución electrolítica . La distancia de separación de carga en una doble capa es del orden de unos pocos angstroms (0,3–0,8 nm ) y es de origen estático . ^[¹⁵^]
Pseudocapacitancia : almacenamiento electroquímico de energía eléctrica, logrado mediante reacciones redox , electrosorción o intercalación en la superficie del electrodo por iones específicamente adsorbidos, lo que resulta en una transferencia de carga faradaica reversible en el electrodo. ^[¹⁵^]

La capacitancia de doble capa y la pseudocapacitancia contribuyen inseparablemente al valor total de capacitancia de un supercondensador. ^{[ 22 ]} Sin embargo, la proporción entre ambas puede variar considerablemente, dependiendo del diseño de los electrodos y la composición del electrolito. La pseudocapacitancia puede aumentar el valor de capacitancia hasta diez veces con respecto al de la doble capa por sí sola. ^{[ 11 ]}^{[ 28 ]}

Los condensadores de doble capa eléctrica (EDLC) son condensadores electroquímicos en los que el almacenamiento de energía se logra principalmente mediante la capacitancia de doble capa. Antiguamente, todos los condensadores electroquímicos se denominaban "condensadores de doble capa". En la actualidad, los condensadores de doble capa, junto con los pseudocondensadores, forman parte de una familia más amplia de condensadores electroquímicos ^{[ 11 ]}^{[ 28 ]} denominados supercondensadores. También se les conoce como ultracondensadores.

Materiales

Las propiedades de los supercondensadores provienen de la interacción de sus materiales internos. En particular, la combinación del material del electrodo y el tipo de electrolito determinan la funcionalidad y las características térmicas y eléctricas de los condensadores.

Electrodos

Los electrodos de los supercondensadores suelen ser recubrimientos delgados que se aplican y se conectan eléctricamente a un colector de corriente metálico conductor . Los electrodos deben tener buena conductividad, alta estabilidad térmica, estabilidad química a largo plazo ( inertesidad ), alta resistencia a la corrosión y una gran superficie por unidad de volumen y masa. Otros requisitos incluyen ser respetuosos con el medio ambiente y tener un bajo coste.

La cantidad de capacitancia de doble capa y pseudocapacitancia almacenada por unidad de voltaje en un supercondensador depende principalmente del área superficial del electrodo. Por lo tanto, los electrodos de los supercondensadores suelen estar hechos de un material poroso y esponjoso con un área superficial específica extraordinariamente alta , como el carbón activado . Además, la capacidad del material del electrodo para realizar transferencias de carga faradaicas aumenta la capacitancia total.

En general, cuanto menores sean los poros del electrodo, mayor será la capacitancia y la energía específica . Sin embargo, los poros más pequeños aumentan la resistencia serie equivalente (ESR) y disminuyen la potencia específica . Las aplicaciones con altas corrientes pico requieren poros más grandes y bajas pérdidas internas, mientras que las aplicaciones que requieren alta energía específica necesitan poros pequeños.

Electrodos para EDLC

El material de electrodo más comúnmente utilizado para supercondensadores es el carbono en diversas manifestaciones, como carbón activado (CA), tela de fibra de carbono (FCC), carbono derivado de carburo (CDC), ^{[ 39 ]}^{[ 40 ]} aerogel de carbono , grafito ( grafeno ), grafano ^{[ 41 ]} y nanotubos de carbono (CNT). ^{[ 22 ]}^{[ 42 ]}^{[ 43 ]}

Los electrodos a base de carbono exhiben predominantemente capacitancia estática de doble capa, aunque también puede estar presente una pequeña cantidad de pseudocapacitancia dependiendo de la distribución del tamaño de poro. Los tamaños de poro en los carbonos suelen variar desde microporos (menos de 2 nm) hasta mesoporos (2-50 nm), ^{[ 44 ]} pero solo los microporos (<2 nm) contribuyen a la pseudocapacitancia. A medida que el tamaño de poro se acerca al tamaño de la capa de solvatación, las moléculas de disolvente se excluyen y solo los iones no solvatados llenan los poros (incluso para iones grandes), aumentando la densidad de empaquetamiento iónico y la capacidad de almacenamiento por H faradaico₂ intercalación.^{[ 22 ]}

Carbón activado

El carbón activado fue el primer material elegido para los electrodos EDLC. Aunque su conductividad eléctrica es aproximadamente el 0,003% de la de los metales (1250 a 2000 S/m ), es suficiente para supercondensadores. ^{[ 23 ]}^{[ 15 ]} El carbón activado es una forma de carbono extremadamente porosa con una alta superficie específica ; una aproximación común es que 1 gramo (0,035 oz) (una cantidad del tamaño ^de una goma de borrar de lápiz) tiene una superficie de aproximadamente 1000 a 3000 metros cuadrados (11 000 a 32 000 ft² ) ^[⁴²^]^[⁴⁴^] , aproximadamente el tamaño de 4 a 12 canchas de tenis . La forma a granel utilizada en electrodos es de baja densidad con muchos poros, lo que da una alta capacitancia de doble capa. El carbón activado sólido, también llamado carbón amorfo consolidado (CAC), es el material de electrodo más utilizado para supercondensadores y puede ser más barato que otros derivados del carbono. ^[⁴⁵^] Se produce a partir de polvo de carbón activado prensado en la forma deseada, formando un bloque con una amplia distribución de tamaños de poro. Un electrodo con un área superficial de aproximadamente 1000 m ² /g da como resultado una capacitancia típica de doble capa de aproximadamente10 μF/cm ² y una capacitancia específica de100 F/g . A partir de 2010.Prácticamente todos los supercondensadores comerciales utilizan carbón activado en polvo hecho de cáscaras de coco. ^{[ 46 ]} Las cáscaras de coco producen carbón activado con más microporos que el carbón vegetal hecho de madera. ^{[ 44 ]}

Fibras de carbón activado

Las fibras de carbón activado (ACF) se producen a partir de carbón activado y tienen un diámetro típico de 10 μm. Pueden tener microporos con una distribución de tamaño de poro muy estrecha que se puede controlar fácilmente. El área superficial de las ACF tejidas en un textil es de aproximadamente2500 m ² /g . Las ventajas de los electrodos ACF incluyen baja resistencia eléctrica a lo largo del eje de la fibra y buen contacto con el colector. ^{[ 42 ]} Al igual que el carbón activado, los electrodos ACF exhiben predominantemente capacitancia de doble capa con una pequeña cantidad de pseudocapacitancia debido a sus microporos.

Aerogel de carbono

El aerogel de carbono es un material sintético ultraligero y altamente poroso derivado de un gel orgánico en el que el componente líquido del gel ha sido reemplazado por un gas. Los electrodos de aerogel se fabrican mediante pirólisis de aerogeles de resorcinol - formaldehído ^[⁴⁷^] y son más conductores que la mayoría de los carbones activados. Permiten obtener electrodos delgados y mecánicamente estables con un espesor en el rango de varios cientos de micrómetros (μm) y con un tamaño de poro uniforme. Los electrodos de aerogel también proporcionan estabilidad mecánica y de vibración para supercondensadores utilizados en entornos de alta vibración. Los investigadores han creado un electrodo de aerogel de carbono con densidades gravimétricas de aproximadamente 400–1200 m2 ^/ g y capacitancia volumétrica de 104 F/cm3 ^, lo que produce una energía específica de 325 kJ/kg (90 Wh/kg ) y potencia específica de20 W/g . ^{[ 48 ]}^{[ 49 ]} Los electrodos de aerogel estándar exhiben predominantemente capacitancia de doble capa. Los electrodos de aerogel que incorporan material compuesto pueden agregar una gran cantidad de pseudocapacitancia. ^{[ 50 ]}

Carbono derivado del carburo

Distribuciones del tamaño de poro para diferentes precursores de carburo

El carbono derivado de carburo (CDC), también conocido como carbono nanoporoso sintonizable, es una familia de materiales de carbono derivados de precursores de carburo , como el carburo de silicio binario y el carburo de titanio , que se transforman en carbono puro mediante procesos físicos (p. ej ., descomposición térmica ) o químicos ( p. ej ., halogenación ). ^{[ 51 ]}^{[ 52 ]} Los carbonos derivados de carburo pueden exhibir una alta área superficial y diámetros de poro sintonizables (desde microporos hasta mesoporos) para maximizar el confinamiento de iones, aumentando la pseudocapacitancia por H faradaico_2. Tratamiento de adsorción. Los electrodos CDC con diseño de poros a medida ofrecen hasta un 75 % más de energía específica que los carbones activados convencionales.A partir de 2015., un supercondensador CDC ofreció una energía específica de 10,1 Wh/kg, una capacitancia de 3500 F y más de un millón de ciclos de carga-descarga. ^{[ 53 ]}

Grafeno

El grafeno es una lámina de grafito de un átomo de espesor , con átomos dispuestos en un patrón hexagonal regular, ^{[ 54 ]}^{[ 55 ]} también llamado "papel nanocompuesto". ^{[ 56 ]}

El grafeno tiene una superficie específica teórica de 2630 m² /g ^, lo que teóricamente puede generar una capacitancia de 550 F/g. Además, una ventaja del grafeno sobre el carbón activado es su mayor conductividad eléctrica. A partir de 2012, un nuevo desarrollo utilizó láminas de grafeno directamente como electrodos sin colectores para aplicaciones portátiles. ^{[ 57 ]}^{[ 58 ]}

En una realización, un supercondensador basado en grafeno utiliza láminas de grafeno curvas que no se apilan cara a cara, formando mesoporos que son accesibles y humectables por electrolitos iónicos a voltajes de hasta 4 V. Una energía específica de85,6 Wh/kg ( Se obtiene una energía específica de 308 kJ/kg a temperatura ambiente, equivalente a la de una batería convencional de níquel-metal hidruro , pero con una potencia específica entre 100 y 1000 veces mayor. ^{[ 59 ]}^{[ 60 ]}

La estructura bidimensional del grafeno mejora la carga y descarga. Los portadores de carga en las láminas orientadas verticalmente pueden migrar rápidamente hacia dentro o hacia fuera de las estructuras más profundas del electrodo, aumentando así las corrientes. Estos condensadores podrían ser adecuados para aplicaciones de filtrado de 100/120 Hz, inalcanzables para los supercondensadores que utilizan otros materiales de carbono. ^{[ 61 ]}

Técnicas de fabricación de grafeno para supercondensadores

La deposición química de vapor es un método de fabricación popular para el grafeno utilizado en supercondensadores, que produce grafeno monocapa o de pocas capas de alta calidad. El proceso comienza introduciendo un hidrocarburo (generalmente metano, CH₄ ₎ en una cámara de reacción. A continuación, se coloca un catalizador metálico, como cobre (Cu) o níquel (Ni), en la cámara de reacción para que actúe como sustrato. Estos metales se utilizan frecuentemente debido a su capacidad para descomponer el metano en átomos de carbono libres que se utilizarán en la formación del grafeno. Posteriormente, la cámara se calienta a temperaturas entre 700 y 1000 grados Celsius para descomponer las moléculas de metano en la superficie del sustrato . El metano se descompone en hidrógeno gaseoso (H₂ ₎ que se libera de la cámara, y los átomos de carbono (C) se depositan sobre el sustrato. ^{[ 62 ]}

Cuando los átomos de carbono se adsorben sobre el sustrato, comienzan a difundirse a lo largo de la superficie y a nuclearse. Los átomos de carbono se organizarán naturalmente en la red hexagonal del grafeno. Dependiendo de la temperatura, la presión y la concentración de metano, el número de capas de grafeno producidas variará. Una vez formada la capa de grafeno, la cámara se enfría y se retira el sustrato recubierto. El grafeno se transfiere entonces de su sustrato metálico a una nueva superficie, según la aplicación. El método para realizar esta transferencia suele ser un enfoque mediado por PMMA (polimetilmetacrilato). ^{[ 63 ]} El grafeno es especialmente valioso en supercondensadores debido a sus vías de baja resistencia para el flujo de electrones, que es una parte esencial de la alta potencia de salida de los supercondensadores.

La exfoliación mecánica es otro método de fabricación de láminas de grafeno utilizadas en supercondensadores. El proceso comienza seleccionando grafito de alta calidad , preferiblemente grafito monocristalino de alta pureza. A continuación, se selecciona una cinta adhesiva que pueda despegar capas finas de grafito sin arrancar grandes trozos del material; la cinta adhesiva transparente se usa frecuentemente en este método. Se presiona repetidamente la cinta sobre el grafito y se retira con cuidado. A medida que se repite el proceso, se transferirán láminas de grafeno cada vez más finas a la cinta. ^{[ 64 ]} Una vez que se ha presionado una capa fina de grafeno sobre la cinta, esta se coloca sobre un sustrato limpio, como una oblea o película de silicio. La cinta con el grafeno se presiona suavemente sobre el sustrato para transferir las capas de grafeno a la superficie del sustrato y luego se retira lentamente.

Electrodos para pseudocapacitores

_El MnO₂ y _el RuO₂ son materiales típicos utilizados como electrodos para pseudocapacitores, ya que poseen la firma electroquímica de un electrodo capacitivo (dependencia lineal en la curva corriente-voltaje) y exhiben un comportamiento aic . Además, el almacenamiento de carga se origina a partir de mecanismos de transferencia de electrones en lugar de la acumulación de iones en la doble capa electroquímica . Los pseudocapacitores se crearon mediante reacciones redox faradaicas que ocurren dentro de los materiales activos del electrodo. Se ha centrado más investigación en óxidos de metales de transición como el MnO₂ _debido a que estos tienen un costo menor en comparación con los óxidos de metales nobles como el RuO₂ _. Además, los mecanismos de almacenamiento de carga de los óxidos de metales de transición se basan predominantemente en la pseudocapacitancia. Se han introducido dos mecanismos de comportamiento de almacenamiento de carga del MnO₂ _. El primer mecanismo implica la intercalación de protones (H⁺ ⁾ o cationes de metales alcalinos (C⁺ ⁾ en el volumen del material durante la reducción, seguida de la desintercalación durante la oxidación . ^[⁶⁵^]

MnO ₂ + H ⁺ (C ⁺ ) + e ⁻⇌ MnOOH(C) ^{[ 66 ]}

El segundo mecanismo se basa en la adsorción superficial de cationes electrolíticos sobre MnO ₂ .

(MnO ₂ ) _superficie + C ⁺ + e ⁻⇌ (MnO ₂⁻ C ⁺ ) _superficie

No todos los materiales que exhiben comportamiento faradaico pueden usarse como electrodos para pseudocapacitores, como el Ni(OH) _₂ ya que es un electrodo de tipo batería (dependencia no lineal en la curva de corriente versus voltaje). ^{[ 67 ]}

Óxidos metálicos

La investigación de Brian Evans Conway ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} describió electrodos de óxidos de metales de transición que exhibieron altas cantidades de pseudocapacitancia. Óxidos de metales de transición, incluido el rutenio ( RuO ).₂ ),iridio(IrO₂ ),hierro(Fe₃ O₄ ),manganeso(MnO₂ ) o sulfuros comoel sulfuro de titanio(TiS₂ ) solos o en combinación generan fuertes reacciones de transferencia de electrones faradaicas combinadas con baja resistencia.Dióxido de rutenio en combinación conH₂ SO₄ electrolitos proporcionan una capacitancia específica de 720 F/g y una alta energía específica de 26,7 Wh/kg (96,12 kJ/kg ). ^{[ 68 ]}

La carga/descarga se produce en un rango de aproximadamente 1,2 V por electrodo. Esta pseudocapacitancia de aproximadamente 720 F/g es aproximadamente 100 veces mayor que la capacitancia de doble capa que utiliza electrodos de carbón activado . Estos electrodos de metales de transición ofrecen una excelente reversibilidad, con varios cientos de miles de ciclos. Sin embargo, el rutenio es caro y el rango de voltaje de 2,4 V para este condensador limita sus aplicaciones a ámbitos militares y espaciales. Das et al. informaron del valor de capacitancia más alto (1715 F/g) para un supercondensador basado en óxido de rutenio con óxido de rutenio electrodepositado sobre un electrodo de película de nanotubos de carbono de pared simple poroso . ^{[ 69 ]} Se ha informado de una alta capacitancia específica de 1715 F/g que se aproxima mucho al máximo teórico predicho para RuO₂ capacitancia de 2000 F/g.

En 2014, un RuO_Dos supercondensadores anclados en unde espuma de grafenoproporcionaron una capacitancia específica de 502,78 F/g y una capacitancia superficial de 1,11 F/cm²^,lo que resultó en una energía específica de 39,28 Wh/kg y una potencia específica de 128,01 kW/kg durante 8000 ciclos con un rendimiento constante. El dispositivo era una arquitectura tridimensional (3D)de grafenoynanotubos de carbono anclados con rutenio hidratado de menos de 5 nm(RGM). La espuma de grafeno estaba cubierta de forma conforme con redes híbridas deRuO₂ ₂ nanopartículasy CNT anclados.^{[ 70 ]}^{[ 71 ]}

Se han probado óxidos menos costosos de hierro , vanadio , níquel y cobalto en electrolitos acuosos , pero ninguno ha sido investigado tanto como el dióxido de manganeso ( MnO₂ ). Sin embargo, ninguno de estos óxidos se utiliza comercialmente.^{[ 72 ]}

Polímeros conductores

Otro enfoque utiliza polímeros conductores de electrones como material pseudocapacitivo. Aunque mecánicamente débiles, los polímeros conductores poseen una alta conductividad , lo que resulta en una baja ESR y una capacitancia relativamente alta. Entre estos polímeros conductores se incluyen la polianilina , el politiofeno , el polipirrol y el poliacetileno . Dichos electrodos también emplean el dopaje o desdopaje electroquímico de los polímeros con aniones y cationes . Los electrodos fabricados con polímeros conductores , o recubiertos con ellos, tienen costos comparables a los de los electrodos de carbono .

Los electrodos de polímeros conductores generalmente presentan una estabilidad de ciclo limitada. Sin embargo, los electrodos de poliaceno ofrecen hasta 10 000 ciclos, mucho mejor que las baterías. ^[⁷³^]

Electrodos para capacitores híbridos

Todos los supercondensadores híbridos comerciales son asimétricos. Combinan un electrodo con alta pseudocapacitancia con un electrodo con alta capacitancia de doble capa. En estos sistemas, el electrodo de pseudocapacitancia faradaica, con su mayor capacitancia, proporciona una alta energía específica, mientras que el electrodo EDLC no faradaico permite una alta potencia específica . Una ventaja de los supercondensadores híbridos en comparación con los EDLC simétricos es su mayor valor de capacitancia específica, así como su mayor tensión nominal y, por consiguiente, su mayor energía específica.

Materiales avanzados para electrodos

Óxidos de níquel-cobalto (NiCo₂O₄ ) _: Las estructuras de _espinela de NiCo₂O₄ _sintetizadas mediante métodos hidrotermales exhiben una capacitancia teórica de ~3500 F/g debido a las contribuciones redox sinérgicas de los iones de níquel (Ni²⁺ _/^Ni³⁺ ) ^y cobalto (Co²⁺ ^/ Co³⁺ ⁾ . Las configuraciones asimétricas que combinan cátodos de NiCo₂O₄ _{con ánodos de carbón activado alcanzan densidades de energía de 89,6 Wh/kg a 796 W/kg, manteniendo el 93 % de la capacitancia después}_de 10 000 ciclos. ^[⁷⁴^]

Híbridos de grafeno y óxido metálico : Los nanocompuestos de grafeno-MnO₂ _aprovechan la alta conductividad eléctrica del grafeno (10⁶ ^S /m) y la pseudocapacitancia del MnO₂. La deposición de capas atómicas (ALD) crea recubrimientos uniformes de MnO₂ _sobre_nanohojas de grafeno, logrando 1100 F/g con una estabilidad de ciclo del 95 % durante 5000 ciclos. Estos híbridos son escalables para aplicaciones de almacenamiento en red. ^{[ 74 ]}

Compuestos a base de hierro : Las estructuras de núcleo-capa Fe₃O₄ _@ carbono _combinan la capacitancia de doble capa (capa de carbono) y las reacciones faradaicas (núcleo de Fe₃O₄ ₎ , _ofreciendo una densidad de energía de 32,2 Wh/kg con una retención del 85 % después de 5000 ciclos. Estos materiales de bajo costo reducen la dependencia de minerales críticos como el cobalto. ^[⁷⁴^]

Supercondensadores compuestos estructurales : Los electrodos de fibra de carbono recubiertos con nanotubos de carbono (CNT) o nanoplaquetas de grafeno cumplen una doble función como medios de almacenamiento de energía y refuerzo mecánico. Las fibras recubiertas con CNT alcanzan una capacitancia de 120 F/g manteniendo resistencias a la tracción >2 GPa, lo que permite reducciones de peso del 15 al 30 % en los paquetes de baterías de vehículos eléctricos. ^{[ 74 ]}

Arquitecturas de estado sólido

Electrolitos de polímero en gel : Los supercondensadores flexibles que utilizan electrolitos de gel de alcohol polivinílico (PVA)-H₂SO₄ _conservan el 98 % de su capacitancia después de 5000 ciclos de flexión. Estos dispositivos funcionan en un amplio rango de temperaturas (de -40 ° _C a 80 °C), lo que los hace adecuados para la electrónica portátil. ^{[ 75 ]}

Diseños de alta temperatura : Las cerámicas de titanato de bario ( _BaTiO₃ ) recubiertas mediante ALD y sinterizadas a 1100 °C presentan una permitividad >8000 y tensiones de ruptura superiores a 500 V, lo que permite la fabricación de ultracondensadores para sistemas de energía aeroespaciales. ^{[ 75 ]}

Comparación de rendimiento

Tabla: Rendimiento comparativo de supercondensadores híbridos.

Sostenibilidad y política

El reciclaje en circuito cerrado recupera el 92 % del carbón activado de los electrodos usados, lo que reduce la dependencia de materiales críticos como el cobalto. El Programa de Innovación de Materiales Críticos del Departamento de Energía de EE. UU . financia la investigación de híbridos de grafeno y nanotubos de carbono, con el objetivo de reducir los costos de producción en un 40 % para 2030. ^{[ 76 ]}

Electrodos compuestos

Los electrodos compuestos para supercondensadores de tipo híbrido se construyen a partir de material a base de carbono con materiales activos pseudocapacitivos incorporados o depositados, como óxidos metálicos y polímeros conductores. A partir de 2013La mayoría de las investigaciones sobre supercondensadores exploran electrodos compuestos. Los nanotubos de carbono (CNT) proporcionan una estructura base para una distribución homogénea de óxido metálico o polímeros conductores eléctricos (ECP), lo que produce una buena pseudocapacitancia y una buena capacitancia de doble capa. Estos electrodos alcanzan capacitancias más altas que los electrodos de carbono puro, óxido metálico puro o basados en polímeros. Esto se atribuye a la accesibilidad de la estructura de malla enmarañada de los nanotubos, que permite un recubrimiento uniforme de materiales pseudocapacitivos y una distribución de carga tridimensional. El proceso para anclar los materiales pseudocapacitivos generalmente utiliza un proceso hidrotermal. Sin embargo, un investigador reciente, Li et al., de la Universidad de Delaware, encontró un método sencillo y escalable para precipitar MnO₂ _sobre una película de nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) para fabricar un supercondensador basado en electrolitos orgánicos. ^{[ 77 ]}

Otra forma de mejorar los electrodos de CNT es mediante el dopaje con un dopante pseudocapacitivo como en los capacitores de iones de litio . En este caso, los átomos de litio relativamente pequeños se intercalan entre las capas de carbono. ^{[ 78 ]} El ánodo está hecho de carbono dopado con litio, lo que permite un potencial negativo más bajo con un cátodo hecho de carbón activado. Esto da como resultado un voltaje mayor de 3,8-4 V que evita la oxidación del electrolito. A partir de 2007 habían alcanzado una capacitancia de 550 F/g. ^{[ 9 ]} y alcanzan una energía específica de hasta 14 Wh/kg (50,4 kJ/kg ). ^{[ 79 ]}

Electrodos de tipo batería

Los electrodos de baterías recargables influyeron en el desarrollo de electrodos para nuevos electrodos de supercondensadores de tipo híbrido, como los de los condensadores de iones de litio . ^{[ 80 ]} Junto con un electrodo EDLC de carbono en una construcción asimétrica, esta configuración ofrece una energía específica más alta que los supercondensadores típicos, con una potencia específica más alta, una vida útil más prolongada y tiempos de carga y recarga más rápidos que las baterías.

Electrodos asimétricos (pseudo/EDLC)

Recientemente se han desarrollado algunos supercondensadores híbridos asimétricos en los que el electrodo positivo se basa en un electrodo de óxido metálico pseudocapacitivo real (no en un electrodo compuesto), y el electrodo negativo en un electrodo de carbón activado EDLC.

Los supercondensadores asimétricos (ASC) han demostrado ser candidatos con gran potencial para supercondensadores de alto rendimiento debido a su amplio potencial operativo, que puede mejorar notablemente el comportamiento capacitivo. Una ventaja de este tipo de supercondensadores es su mayor voltaje y, en consecuencia, su mayor energía específica (hasta 10-20 Wh/kg (36-72 kJ/kg)). Además, presentan una buena estabilidad cíclica. ^[⁸¹^]^[⁸²^]^[⁸³^]^[⁸⁴^]

Por ejemplo, los investigadores utilizan un tipo de novedosas nanohojas de skutterudita Ni–CoP ₃ y las utilizan como electrodos positivos con carbón activado (AC) como electrodos negativos para fabricar un supercondensador asimétrico (ASC). Exhibe una alta densidad de energía de 89,6 Wh/kg a 796 W/kg y una estabilidad del 93 % después de 10 000 ciclos, lo que puede ser un gran potencial para ser un excelente candidato de electrodo de próxima generación. ^{[ 84 ]} Además, se utilizaron nanofibras de carbono/poli(3,4-etilendioxitiofeno)/óxido de manganeso (f-CNFs/PEDOT/MnO ₂ ) como electrodos positivos y AC como electrodos negativos. Tiene una alta energía específica de 49,4 Wh/kg y una buena estabilidad de ciclado (81,06 % después de 8000 ciclos). ^{[ 82 ]} Además, se están estudiando muchos tipos de nanocompuestos como electrodos, como NiCo ₂ S ₄ @NiO, ^{[ 83 ]} MgCo ₂ O ₄ @MnO ₂ y otros. Por ejemplo, el nanocompuesto Fe-SnO ₂ @CeO ₂ utilizado como electrodo puede proporcionar una energía específica y una potencia específica de 32,2 Wh/kg y 747 W/kg. El dispositivo exhibió una retención de capacitancia del 85,05 % durante 5000 ciclos de operación. ^{[ 81 ]} Hasta donde se sabe, no hay supercondensadores comerciales ofrecidos con este tipo de electrodos asimétricos en el mercado.

Electrolitos

Los electrolitos están compuestos por un disolvente y sustancias químicas disueltas que se disocian en cationes positivos y aniones negativos , lo que les confiere conductividad eléctrica. Cuanto mayor sea la concentración de iones en el electrolito, mayor será su conductividad . En los supercondensadores, los electrolitos constituyen la conexión eléctrica entre los dos electrodos. Además, en los supercondensadores, el electrolito proporciona las moléculas para la monocapa de separación en la doble capa de Helmholtz y suministra los iones para la pseudocapacitancia.

El electrolito determina las características del condensador: su tensión de funcionamiento, rango de temperatura, ESR y capacitancia. Con el mismo electrodo de carbón activado, un electrolito acuoso alcanza valores de capacitancia de 160 F/g, mientras que un electrolito orgánico alcanza solo 100 F/g. ^{[ 85 ]}

El electrolito debe ser químicamente inerte y no atacar químicamente los demás materiales del condensador para garantizar un comportamiento estable a largo plazo de sus parámetros eléctricos. Su viscosidad debe ser lo suficientemente baja como para humedecer la estructura porosa y esponjosa de los electrodos. No existe un electrolito ideal, lo que obliga a buscar un equilibrio entre el rendimiento y otros requisitos.

El agua es un disolvente relativamente bueno para los productos químicos inorgánicos . Tratada con ácidos como el ácido sulfúrico ( H₂ SO₄ ),álcaliscomoel hidróxido de potasio(KOH), osalescomode fosfonio,perclorato de sodio(NaClO₄ ),perclorato de litio(LiClO₄ ) oarseniato(LiAsF₆ ), el agua ofrece valores de conductividad relativamente altos ,de aproximadamente 100 a 1000 mS/cm. Los electrolitos acuosos tienen un voltaje de disociación de 1,15V por electrodo (voltaje del condensador de 2,3de temperatura de funcionamientorelativamente bajo. Se utilizan en supercondensadores con baja energía específica y alta potencia específica.

Electrolitos con disolventes orgánicos como acetonitrilo , carbonato de propileno , tetrahidrofurano , carbonato de dietilo , γ-butirolactona y soluciones con sales de amonio cuaternario o sales de amonio alquilante como tetrafluoroborato de tetraetilamonio ( N(Et)₄ BF₄^{[ 86 ]} ) o tetrafluoroborato de trietilo (metilo) (NMe(Et)₃ BF₄ ) son más caros que los electrolitos acuosos, pero tienen un voltaje de disociación más alto, típicamente de 1,35 V por electrodo ( voltaje del condensador de 2,7 V), y un rango de temperatura más alto. La menor conductividad eléctrica de los disolventes orgánicos (10 a 60 mS/cm) conduce a una potencia específica más baja, pero como la energía específica aumenta con el cuadrado del voltaje, se obtiene una energía específica más alta.

Los electrolitos iónicos consisten en sales líquidas que pueden ser estables en una ventana electroquímica más amplia , lo que permite voltajes de condensador superiores a 3,5 V. Los electrolitos iónicos suelen tener una conductividad iónica de unos pocos mS/cm, inferior a la de los electrolitos acuosos u orgánicos. ^{[ 87 ]}

Separadores

Los separadores deben separar físicamente los dos electrodos para evitar un cortocircuito por contacto directo. Pueden ser muy delgados (unas pocas centésimas de milímetro) y deben ser muy porosos para los iones conductores con el fin de minimizar la ESR. Además, los separadores deben ser químicamente inertes para proteger la estabilidad y la conductividad del electrolito. Los componentes económicos utilizan papel de condensador abierto. Los diseños más sofisticados utilizan películas poliméricas porosas no tejidas como poliacrilonitrilo o Kapton , fibras de vidrio tejidas o fibras cerámicas tejidas porosas. ^{[ 88 ]}^{[ 89 ]}

Coleccionistas y vivienda

Los colectores de corriente conectan los electrodos a los terminales del condensador. El colector se aplica mediante pulverización sobre el electrodo o bien es una lámina metálica. Deben ser capaces de distribuir corrientes pico de hasta 100 A. Si la carcasa es metálica (normalmente aluminio), los colectores deben ser del mismo material para evitar la formación de una celda galvánica corrosiva .

Parámetros eléctricos

Capacidad

Ilustración esquemática del comportamiento de la capacitancia resultante de la estructura porosa de los electrodos.

Circuito equivalente con elementos RC en cascada

Dependencia de la capacitancia con la frecuencia de un supercondensador de 50 F

Los valores de capacitancia para condensadores comerciales se especifican como "capacitancia nominal C _R ". Este es el valor para el que se ha diseñado el condensador. El valor de un componente real debe estar dentro de los límites dados por la tolerancia especificada. Los valores típicos están en el rango de faradios (F), de tres a seis órdenes de magnitud mayores que los de los condensadores electrolíticos. El valor de capacitancia resulta de la energía $W$ (expresado en julios ) de un condensador cargado mediante una tensión continua V _DC .

W={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{DC}}\cdot V_{\text{DC}}^{2}

Este valor también se denomina "capacitancia de CC".

Medición

Los condensadores convencionales se miden normalmente con una pequeña tensión alterna (0,5 V) y una frecuencia de 100 Hz o 1 kHz, según el tipo de condensador. La medición de capacitancia en corriente alterna ofrece resultados rápidos, lo cual es importante para las líneas de producción industrial. El valor de capacitancia de un supercondensador depende en gran medida de la frecuencia de medición, que está relacionada con la estructura porosa del electrodo y la movilidad iónica limitada del electrolito. Incluso a una baja frecuencia de 10 Hz, el valor de capacitancia medido disminuye del 100 % al 20 % del valor de capacitancia en corriente continua.

Esta extraordinaria dependencia de la frecuencia se explica por las diferentes distancias que los iones deben recorrer en los poros del electrodo. Los iones acceden fácilmente a la zona inicial de los poros, lo que se traduce en una baja resistencia eléctrica. Cuanto mayor sea la distancia que deben recorrer los iones, mayor será la resistencia. Este fenómeno se puede describir mediante un circuito en serie de elementos RC (resistor/capacitor) en cascada con constantes de tiempo RC en serie . Esto provoca un retardo en el flujo de corriente, reduciendo la superficie total del electrodo que puede ser cubierta por iones si cambia la polaridad; la capacitancia disminuye al aumentar la frecuencia de CA. Por lo tanto, la capacitancia total se alcanza solo después de tiempos de medición más prolongados. Debido a la fuerte dependencia de la capacitancia con la frecuencia, este parámetro eléctrico debe medirse con una medición especial de carga y descarga de corriente constante, definida en las normas IEC 62391-1 y -2.

La medición comienza con la carga del condensador. Se debe aplicar el voltaje y, una vez que la fuente de alimentación de corriente constante/voltaje constante haya alcanzado el voltaje nominal, el condensador debe cargarse durante 30 minutos. A continuación, el condensador debe descargarse con una corriente de descarga constante Idischarge _. Luego, se miden los tiempos t1 _y t2 _, necesarios para que el voltaje disminuya del 80 % (V1 ₎ al 40 % (V2 ₎ del voltaje nominal. El valor de la capacitancia se calcula como:

C_{\text{total}}=I_{\text{discharge}}\cdot {\frac {t_{2}-t_{1}}{V_{1}-V_{2}}}

El valor de la corriente de descarga viene determinado por la aplicación. La norma IEC define cuatro clases:

Respaldo de memoria, corriente de descarga en mA = 1 • C (F)
Almacenamiento de energía, corriente de descarga en mA = 0,4 • C (F) • V (V)
Potencia, corriente de descarga en mA = 4 • C (F) • V (V)
Potencia instantánea, corriente de descarga en mA = 40 • C (F) • V (V)

Los métodos de medición empleados por los fabricantes individuales son en su mayoría comparables a los métodos estandarizados. ^{[ 90 ]}^{[ 91 ]}

El método de medición estandarizado resulta demasiado laborioso para que los fabricantes lo utilicen durante la producción de cada componente individual. En el caso de los condensadores de fabricación industrial, el valor de capacitancia se mide con una tensión alterna de baja frecuencia y mayor velocidad, y se utiliza un factor de correlación para calcular la capacitancia nominal.

Esta dependencia de la frecuencia afecta al funcionamiento del condensador. Los ciclos rápidos de carga y descarga implican que ni el valor nominal de capacitancia ni la energía específica están disponibles. En este caso, el valor nominal de capacitancia se recalcula para cada condición de aplicación.

El tiempo t durante el cual un supercondensador puede suministrar una corriente constante I se puede calcular como:

t={\frac {C\cdot (U_{\text{charge}}-U_{\text{min}})}{I}}

a medida que el voltaje del condensador disminuye desde U _carga hasta U _min .

Si la aplicación necesita una potencia constante P durante un tiempo determinado t, esto se puede calcular de la siguiente manera:

t={\frac {1}{2P}}\cdot C\cdot (U_{\text{charge}}^{2}-U_{\text{min}}^{2}).

donde también el voltaje del condensador disminuye desde U _carga hasta U _min .

Tensión de funcionamiento

Un supercondensador de 5,5 voltios se construye a partir de dos celdas individuales, cada una con una tensión nominal de al menos 2,75 voltios, conectadas en serie.

Los supercondensadores son componentes de baja tensión. Para un funcionamiento seguro, es necesario que la tensión se mantenga dentro de los límites especificados. La tensión nominal U _R es la tensión continua máxima o la tensión de pulso pico que se puede aplicar de forma continua sin exceder el rango de temperatura especificado. Los condensadores nunca deben someterse a tensiones que superen continuamente la tensión nominal.

La tensión nominal incluye un margen de seguridad frente a la tensión de ruptura del electrolito , a la cual este se descompone . Esta tensión de ruptura descompone las moléculas de disolvente que se separan en la doble capa de Helmholtz; por ejemplo, el agua se disocia en hidrógeno y oxígeno . En consecuencia, las moléculas de disolvente no pueden separar sus cargas eléctricas. Tensiones superiores a la nominal provocan la formación de hidrógeno gaseoso o un cortocircuito.

Los supercondensadores estándar con electrolito acuoso normalmente se especifican con una tensión nominal de 2,1 a 2,3 V y los condensadores con disolventes orgánicos con 2,5 a 2,7 V. Los condensadores de iones de litio con electrodos dopados pueden alcanzar una tensión nominal de 3,8 a 4 V, pero tienen un límite de baja tensión de aproximadamente 2,2 V. Los supercondensadores con electrolitos iónicos pueden superar una tensión de funcionamiento de 3,5 V. ^{[ 87 ]}

El funcionamiento de los supercondensadores por debajo de la tensión nominal mejora el comportamiento a largo plazo de los parámetros eléctricos. Los valores de capacitancia y la resistencia interna durante el ciclado son más estables y la vida útil y los ciclos de carga/descarga pueden prolongarse. ^{[ 91 ]}

Para voltajes de aplicación más elevados, es necesario conectar las celdas en serie. Dado que cada componente presenta una ligera diferencia en su capacitancia y resistencia serie equivalente (ESR), es preciso equilibrarlos, ya sea de forma activa o pasiva, para estabilizar el voltaje aplicado. El equilibrio pasivo emplea resistencias en paralelo con los supercondensadores. El equilibrio activo puede incluir la gestión electrónica del voltaje por encima de un umbral que modifica la corriente.

Resistencia interna

La carga y descarga de un supercondensador está relacionada con el movimiento de portadores de carga (iones) en el electrolito a través del separador hacia los electrodos y su estructura porosa. Durante este movimiento se producen pérdidas que pueden medirse como la resistencia interna de CC.

Con el modelo eléctrico de elementos RC (resistor/capacitor) conectados en serie y en cascada en los poros del electrodo, la resistencia interna aumenta con la profundidad de penetración de los portadores de carga en los poros. La resistencia interna de CC depende del tiempo y aumenta durante la carga/descarga. En las aplicaciones, a menudo solo interesa el rango de encendido y apagado. La resistencia interna R _i se puede calcular a partir de la caída de voltaje ΔV ₂ en el momento de la descarga, comenzando con una corriente de descarga constante I _download . Se obtiene de la intersección de la línea auxiliar extendida desde la parte recta y la base de tiempo en el momento del inicio de la descarga (ver imagen de la derecha). La resistencia se puede calcular mediante:

R_{\text{i}}={\frac {\Delta V_{2}}{I_{\text{discharge}}}}

La corriente de descarga I _descarga para la medición de la resistencia interna se puede obtener de la clasificación según la norma IEC 62391-1.

Esta resistencia interna de CC, R _i, no debe confundirse con la resistencia interna de CA, denominada resistencia serie equivalente (ESR), que normalmente se especifica para los condensadores. Se mide a 1 kHz. La ESR es mucho menor que la resistencia de CC. La ESR no es relevante para calcular las corrientes de irrupción de los supercondensadores ni otras corrientes pico.

R _i determina varias propiedades del supercondensador. Limita las corrientes pico de carga y descarga, así como los tiempos de carga/descarga. R _i y la capacitancia C dan como resultado la constante de tiempo. $\tau$

\tau =R_{\text{i}}\cdot C

Esta constante de tiempo determina el tiempo de carga/descarga. Por ejemplo, un condensador de 100 F con una resistencia interna de 30 mΩ tiene una constante de tiempo de 0,03 • 100 = 3 s. Tras 3 segundos de carga con una corriente limitada únicamente por la resistencia interna, el condensador alcanza el 63,2 % de su carga total (o se descarga hasta el 36,8 % de su carga total).

Los condensadores estándar con resistencia interna constante se cargan completamente durante aproximadamente 5 $\tau$ Dado que la resistencia interna aumenta con la carga/descarga, los tiempos reales no se pueden calcular con esta fórmula. Por lo tanto, el tiempo de carga/descarga depende de las características específicas de cada dispositivo.

Carga actual y estabilidad del ciclo

Debido a que los supercondensadores funcionan sin formar enlaces químicos, las cargas de corriente, incluidas las de carga, descarga y pico, no están limitadas por restricciones de reacción. La estabilidad de la carga de corriente y del ciclo puede ser mucho mayor que la de las baterías recargables. Las cargas de corriente solo están limitadas por la resistencia interna, que puede ser sustancialmente menor que la de las baterías.

La resistencia interna "R _i " y las corrientes de carga/descarga o corrientes pico "I" generan pérdidas de calor internas "P _loss " según:

P_{\text{loss}}=R_{\text{i}}\cdot I^{2}

Este calor debe liberarse y distribuirse al ambiente para mantener las temperaturas de funcionamiento por debajo de la temperatura máxima especificada.

Generalmente, la vida útil de un condensador depende del calor generado por la difusión del electrolito. La generación de calor derivada de las cargas de corriente debe ser inferior a 5-10 K a la temperatura ambiente máxima (lo que influye mínimamente en la vida útil prevista). Por este motivo, las corrientes de carga y descarga especificadas para ciclos frecuentes vienen determinadas por la resistencia interna.

Los parámetros de ciclo especificados en condiciones máximas incluyen la corriente de carga y descarga, la duración del pulso y la frecuencia. Se especifican para un rango de temperatura definido y en todo el rango de voltaje para una vida útil determinada. Pueden variar enormemente dependiendo de la combinación de porosidad del electrodo, tamaño de poro y electrolito. Generalmente, una menor carga de corriente aumenta la vida útil del condensador y el número de ciclos. Esto se puede lograr mediante un rango de voltaje menor o una carga y descarga más lentas. ^{[ 91 ]}

Los supercondensadores (excepto aquellos con electrodos de polímero) pueden soportar más de un millón de ciclos de carga/descarga sin una disminución sustancial de la capacidad ni un aumento de la resistencia interna. Esta es la segunda gran ventaja de los supercondensadores frente a las baterías, además de su mayor capacidad de carga. Su estabilidad se debe a los principios de almacenamiento electrostático y electroquímico.

Las corrientes de carga y descarga especificadas pueden superarse significativamente al disminuir la frecuencia o mediante pulsos individuales. El calor generado por un solo pulso puede distribuirse a lo largo del tiempo hasta que se produzca el siguiente pulso para garantizar un aumento de calor promedio relativamente pequeño. Dicha "corriente de potencia pico" para aplicaciones de potencia en supercondensadores de más de 1000 F puede proporcionar una corriente pico máxima de aproximadamente 1000 A. ^{[ 92 ]} Estas altas corrientes generan un alto estrés térmico y altas fuerzas electromagnéticas que pueden dañar la conexión electrodo-colector, lo que requiere un diseño y una construcción robustos de los condensadores.

Dependencia de la capacitancia y la resistencia del dispositivo con respecto al voltaje y la temperatura de funcionamiento.

Los parámetros del dispositivo, como la capacitancia, la resistencia inicial y la resistencia en estado estacionario, no son constantes, sino variables y dependen de la tensión de funcionamiento del dispositivo. La capacitancia del dispositivo aumenta de forma apreciable a medida que aumenta la tensión de funcionamiento. Por ejemplo: un dispositivo de 100 F puede variar un 26 % con respecto a su capacitancia máxima en todo su rango de tensión de funcionamiento. Se observa una dependencia similar de la tensión de funcionamiento en la resistencia en estado estacionario (R _ss ) y la resistencia inicial (R _i ). ^{[ 93 ]} Las propiedades del dispositivo también dependen de su temperatura. A medida que la temperatura del dispositivo cambia, ya sea por el funcionamiento o por la variación de la temperatura ambiente, las propiedades internas, como la capacitancia y la resistencia, también varían. Se observa que la capacitancia del dispositivo aumenta a medida que aumenta la temperatura de funcionamiento. ^{[ 93 ]}

Capacidad energética

Diagrama de Ragone que muestra la potencia específica frente a la energía específica de varios condensadores y baterías.

Los supercondensadores ocupan el espacio entre los condensadores electrolíticos de alta potencia/baja energía y las baterías recargables de baja potencia/alta energía . La energía W _max (expresada en julios ) que se puede almacenar en un condensador viene dada por la fórmula

W_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cdot C_{\text{total}}\cdot V_{\text{loaded}}^{2}

Esta fórmula describe la cantidad de energía almacenada y se utiliza a menudo para describir los éxitos de nuevas investigaciones. Sin embargo, solo una parte de la energía almacenada está disponible para aplicaciones, ya que la caída de tensión y la constante de tiempo sobre la resistencia interna implican que parte de la carga almacenada es inaccesible. La cantidad efectiva de energía realizada W _eff se reduce por la diferencia de tensión utilizada entre V _max y V _min y se puede representar como:

W_{\text{eff}}={\frac {1}{2}}\ C\cdot \ (V_{\text{max}}^{2}-V_{\text{min}}^{2})

Esta fórmula también representa los componentes de voltaje asimétricos de energía, como los condensadores de iones de litio.

energía específica y potencia específica

La cantidad de energía que se puede almacenar en un condensador por unidad de masa de dicho condensador se denomina energía específica . La energía específica se mide gravimétricamente (por unidad de masa ) en vatios-hora por kilogramo (Wh/kg).

La cantidad de energía que se puede almacenar en un condensador por unidad de volumen se denomina densidad energética (también llamada energía específica volumétrica en algunas publicaciones). La densidad energética se mide volumétricamente (por unidad de volumen) en vatios-hora por litro (Wh/L). Las unidades de litros y decímetros ^cúbicos se pueden usar indistintamente.

A partir de 2013La densidad energética comercial varía ampliamente, pero en general oscila entre 5 y8 Wh/L . En comparación, el combustible de gasolina tiene una densidad energética de 32,4 MJ/L o9000 Wh/L . ^{[ 94 ]} Las energías específicas comerciales varían desde alrededor de 0,5 a15 Wh/kg . En comparación, un condensador electrolítico de aluminio almacena típicamente de 0,01 a0,3 Wh/kg , mientras que una batería de plomo-ácido convencional almacena típicamente de 30 a40 Wh/kg y baterías modernas de iones de litio de 100 a265 Wh/kg . Por lo tanto, los supercondensadores pueden almacenar de 10 a 100 veces más energía que los condensadores electrolíticos, pero solo una décima parte de la que almacenan las baterías. Como referencia, el combustible de gasolina tiene una energía específica de 44,4 MJ/kg o12 300 Wh/kg .

Aunque la energía específica de los supercondensadores se compara desfavorablemente con la de las baterías, los condensadores tienen la importante ventaja de la potencia específica . La potencia específica describe la velocidad a la que se puede suministrar energía a la carga (o, al cargar el dispositivo, absorberla del generador). La potencia máxima P _max especifica la potencia de un pico de corriente máximo único rectangular teórico para una tensión dada. En circuitos reales, el pico de corriente no es rectangular y la tensión es menor, debido a la caída de tensión, por lo que la norma IEC 62391-2 estableció una potencia efectiva P _eff más realista para supercondensadores en aplicaciones de potencia, que es la mitad de la máxima y viene dada por las siguientes fórmulas :

P_{\text{eff}}={\frac {1}{8}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}

,

P_{\text{max}}={\frac {1}{4}}\cdot {\frac {V^{2}}{R_{i}}}

donde V es el voltaje aplicado y R _i es la resistencia interna de CC del condensador.

Al igual que la energía específica, la potencia específica se mide gravimétricamente en kilovatios por kilogramo (kW/kg, potencia específica) o volumétricamente en kilovatios por litro (kW/L, densidad de potencia). La potencia específica de los supercondensadores suele ser entre 10 y 100 veces mayor que la de las baterías y puede alcanzar valores de hasta 15 kW/kg.

Los diagramas de Ragone relacionan la energía con la potencia y son una herramienta valiosa para caracterizar y visualizar los componentes de almacenamiento de energía. Con este diagrama, se puede comparar fácilmente la potencia específica y la energía específica de diferentes tecnologías de almacenamiento (véase el diagrama). ^{[ 95 ]}^{[ 96 ]}

Vida

Dado que los supercondensadores no dependen de cambios químicos en los electrodos (excepto aquellos con electrodos de polímero), su vida útil depende principalmente de la velocidad de evaporación del electrolito líquido. Esta evaporación suele depender de la temperatura, la carga de corriente, la frecuencia del ciclo de corriente y el voltaje. La carga de corriente y la frecuencia del ciclo generan calor interno, por lo que la temperatura que determina la evaporación es la suma del calor ambiente y el calor interno. Esta temperatura se puede medir como la temperatura del núcleo en el centro del condensador. Cuanto mayor sea la temperatura del núcleo, más rápida será la evaporación y menor la vida útil.

La evaporación generalmente provoca una disminución de la capacitancia y un aumento de la resistencia interna. Según la norma IEC/EN 62391-2, las reducciones de capacitancia superiores al 30 % o una resistencia interna que supere cuatro veces las especificaciones de la hoja de datos se consideran fallos por desgaste, lo que implica que el componente ha llegado al final de su vida útil. Los condensadores siguen funcionando, pero con capacidades reducidas. La influencia de la variación de los parámetros en el correcto funcionamiento depende de la aplicación de los condensadores.

Los cambios tan drásticos en los parámetros eléctricos especificados en la norma IEC/EN 62391-2 suelen ser inaceptables para aplicaciones con cargas de alta corriente. Los componentes que soportan cargas de alta corriente utilizan límites mucho menores, por ejemplo , una pérdida de capacitancia del 20 % o el doble de la resistencia interna. ^{[ 97 ]} Esta definición más estricta es importante para dichas aplicaciones, ya que el calor aumenta linealmente con el aumento de la resistencia interna y no se debe superar la temperatura máxima. Las temperaturas superiores a las especificadas pueden dañar el condensador.

La vida útil real de los supercondensadores, también conocida como " vida de servicio ", "vida útil esperada" o "vida bajo carga", puede alcanzar de 10 a 15 años o más a temperatura ambiente. Los fabricantes no pueden probar periodos tan largos. Por lo tanto, especifican la vida útil esperada del condensador en las condiciones máximas de temperatura y voltaje. Los resultados se especifican en las hojas de datos mediante la notación "tiempo de prueba (horas)/temperatura máxima (°C)", como por ejemplo "5000 h/65 °C". Con este valor y expresiones derivadas de datos históricos, se puede estimar la vida útil para condiciones de temperatura más bajas.

La vida útil especificada en la hoja de datos es comprobada por los fabricantes mediante una prueba de envejecimiento acelerado denominada "prueba de resistencia", que aplica la temperatura y el voltaje máximos durante un tiempo determinado. Para garantizar un producto sin defectos, no debe producirse desgaste ni fallo total durante esta prueba.

La especificación de vida útil de las hojas de datos puede utilizarse para estimar la vida útil esperada de un diseño determinado. La "regla de los 10 grados", empleada en condensadores electrolíticos con electrolito no sólido, se utiliza en dichas estimaciones y puede aplicarse a supercondensadores. Esta regla emplea la ecuación de Arrhenius : una fórmula sencilla que describe la dependencia de la velocidad de reacción con la temperatura. Por cada 10 °C de reducción en la temperatura de funcionamiento, la vida útil estimada se duplica.

L_{x}=L_{0}\cdot 2^{\frac {T_{0}-T_{x}}{10}}

Con:

L _x = vida útil estimada
L ₀ = tiempo de vida especificado
T ₀ = temperatura máxima especificada del condensador
T _x = temperatura de funcionamiento real de la celda del condensador

Calculados con esta fórmula, los condensadores especificados para 5000 h a 65 °C tienen una vida útil estimada de 20 000 h a 45 °C.

La vida útil también depende del voltaje de operación, ya que la generación de gas en el electrolito líquido depende de dicho voltaje. A menor voltaje, menor generación de gas y mayor vida útil. No existe una fórmula general que relacione el voltaje con la vida útil. Las curvas que se muestran en la imagen, en función del voltaje, son un resultado empírico de un fabricante.

La vida útil de las aplicaciones de potencia también puede verse limitada por la carga de corriente o el número de ciclos. Esta limitación debe ser especificada por el fabricante correspondiente y depende en gran medida del tipo de dispositivo.

Autodescarga

El almacenamiento de energía eléctrica en la doble capa separa los portadores de carga dentro de los poros a distancias del orden de las moléculas. Pueden producirse irregularidades en esta corta distancia, lo que provoca un pequeño intercambio de portadores de carga y una descarga gradual. Esta autodescarga se denomina corriente de fuga . La fuga depende de la capacitancia, el voltaje, la temperatura y la estabilidad química de la combinación electrodo/electrolito. A temperatura ambiente, la fuga es tan baja que se especifica como tiempo de autodescarga en horas, días o semanas. Por ejemplo, un condensador Panasonic "Goldcapacitor" de 5,5 V/F especifica una caída de voltaje a 20 °C de 5,5 V a 3 V en 600 horas (25 días o 3,6 semanas) para un condensador de doble celda. ^{[ 98 ]}

Relajación de voltaje posterior a la carga

Se ha observado que, tras una carga o descarga del EDLC, el voltaje varía con el tiempo, volviendo gradualmente a su nivel anterior. Esta relajación puede durar varias horas y probablemente se deba a las largas constantes de tiempo de difusión de los electrodos porosos dentro del EDLC. ^{[ 93 ]}

Polaridad

Una barra negativa en el manguito aislante indica el terminal del cátodo del condensador.

Dado que los electrodos positivo y negativo (o simplemente positrodo y negatrodo, respectivamente) de los supercondensadores simétricos están hechos del mismo material, teóricamente los supercondensadores no tienen polaridad real y, por lo general, no se producen fallos catastróficos. Sin embargo, la carga inversa de un supercondensador reduce su capacidad, por lo que se recomienda mantener la polaridad resultante de la formación de los electrodos durante la producción. Los supercondensadores asimétricos son inherentemente polares.

Los pseudocapacitores y supercapacitores híbridos que poseen propiedades de carga electroquímica no pueden funcionar con polaridad inversa, lo que impide su uso en corriente alterna. Sin embargo, esta limitación no se aplica a los supercapacitores EDLC.

Una barra en la funda aislante identifica el terminal negativo en un componente polarizado.

En algunos textos, los términos «ánodo» y «cátodo» se utilizan en lugar de electrodo negativo y positivo. El uso de estos términos para describir los electrodos en supercondensadores (y también en baterías recargables, incluidas las de iones de litio) puede generar confusión, ya que la polaridad cambia según si un componente se considera generador o consumidor de corriente. En electroquímica, el cátodo y el ánodo se relacionan con las reacciones de reducción y oxidación, respectivamente. Sin embargo, en los supercondensadores basados en la capacitancia de la doble capa eléctrica, no se producen reacciones de oxidación ni de reducción en ninguno de los dos electrodos. Por lo tanto, los conceptos de cátodo y ánodo no son aplicables.

Comparación de supercondensadores comerciales seleccionados

La amplia gama de electrodos y electrolitos disponibles ofrece diversos componentes adecuados para distintas aplicaciones. El desarrollo de sistemas electrolíticos de baja resistividad, combinados con electrodos de alta pseudocapacitancia, permite muchas más soluciones técnicas.

La siguiente tabla muestra las diferencias entre condensadores de varios fabricantes en cuanto a rango de capacitancia, voltaje de celda, resistencia interna (ESR, valor CC o CA) y energía específica volumétrica y gravimétrica. En la tabla, ESR se refiere al componente con el mayor valor de capacitancia del fabricante correspondiente. En términos generales, dividen los supercondensadores en dos grupos. El primer grupo ofrece valores de ESR mayores, de aproximadamente 20 miliohmios, y una capacitancia relativamente pequeña, de 0,1 a 470 F. Se trata de condensadores de doble capa para respaldo de memoria o aplicaciones similares. El segundo grupo ofrece de 100 a 10 000 F con un valor de ESR significativamente menor, inferior a 1 miliohmio. Estos componentes son adecuados para aplicaciones de potencia. En Pandolfo y Hollenkamp se proporciona una correlación de algunas series de supercondensadores de diferentes fabricantes con las diversas características de construcción. ^{[ 42 ]}

En los condensadores de doble capa comerciales, o más específicamente, en los EDLC, donde el almacenamiento de energía se logra principalmente mediante la capacitancia de doble capa, la energía se almacena formando una doble capa eléctrica de iones de electrolito en la superficie de los electrodos conductores. Dado que los EDLC no están limitados por la cinética de transferencia de carga electroquímica de las baterías, pueden cargarse y descargarse a una velocidad mucho mayor, con vidas útiles de más de 1 millón de ciclos. La densidad de energía de un EDLC está determinada por el voltaje de operación y la capacitancia específica (faradio/gramo o faradio/cm³ ⁾ del sistema electrodo/electrolito. La capacitancia específica está relacionada con el área superficial específica (SSA) accesible al electrolito, su capacitancia de doble capa interfacial y la densidad del material del electrodo.

Los EDLC comerciales se basan en dos electrodos simétricos impregnados con electrolitos que contienen sales de tetrafluoroborato de tetraetilamonio en disolventes orgánicos. Los EDLC actuales que contienen electrolitos orgánicos operan a 2,7 V y alcanzan densidades de energía de alrededor de 5-8 Wh/kg y 7 a 10 Wh/L. La capacitancia específica está relacionada con el área superficial específica (SSA) accesible al electrolito, su capacitancia de doble capa interfacial y la densidad del material del electrodo. Las plaquetas a base de grafeno con un material espaciador mesoporoso son una estructura prometedora para aumentar la SSA del electrolito. ^{[ 99 ]}

Estándares

Clasificación de supercondensadores en clases según las normas IEC 62391-1, IEC 62576 y BS EN 61881-3.

Los supercondensadores varían lo suficiente como para que rara vez sean intercambiables, especialmente aquellos con mayor energía específica. Sus aplicaciones abarcan desde corrientes pico bajas hasta altas, lo que requiere protocolos de prueba estandarizados. ^{[ 100 ]}

Las especificaciones de prueba y los requisitos de parámetros se especifican en la especificación genérica IEC / EN 62391–1, Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos electrónicos .

La norma define cuatro clases de aplicación, según los niveles de corriente de descarga:

Copia de seguridad de la memoria
El almacenamiento de energía, utilizado principalmente para accionar motores, requiere un tiempo de funcionamiento corto.
Potencia, mayor demanda de potencia para un funcionamiento prolongado,
Potencia instantánea, para aplicaciones que requieren unidades de corriente relativamente altas o corrientes pico que alcanzan varios cientos de amperios incluso con un tiempo de funcionamiento corto.

Otras tres normas describen aplicaciones especiales:

IEC 62391–2, Condensadores eléctricos fijos de doble capa para uso en equipos electrónicos – Especificación detallada en blanco – Condensadores eléctricos de doble capa para aplicaciones de potencia
IEC 62576, Condensadores eléctricos de doble capa para uso en vehículos eléctricos híbridos. Métodos de ensayo para características eléctricas.
BS/EN 61881-3, Aplicaciones ferroviarias. Equipos para material rodante. Condensadores para electrónica de potencia. Condensadores eléctricos de doble capa.

Aplicaciones

Los supercondensadores ofrecen ventajas en aplicaciones donde se requiere una gran cantidad de energía durante un tiempo relativamente corto, un elevado número de ciclos de carga/descarga o una mayor vida útil. Las aplicaciones típicas abarcan desde corrientes de miliamperios o milivatios durante unos minutos hasta corrientes de varios amperios o cientos de kilovatios durante periodos mucho más breves.

Los supercondensadores no admiten aplicaciones de corriente alterna (CA).

electrónica de consumo

En aplicaciones con cargas fluctuantes, como computadoras portátiles , PDA , GPS , reproductores multimedia portátiles , dispositivos portátiles ^{[ 101 ]} y sistemas fotovoltaicos , los supercondensadores pueden estabilizar el suministro de energía.

Los supercondensadores proporcionan energía para los flashes fotográficos de las cámaras digitales y para las linternas LED que se pueden cargar en períodos de tiempo mucho más cortos, por ejemplo , 90 segundos. ^{[ 102 ]}

Algunos altavoces portátiles se alimentan mediante supercondensadores. ^{[ 103 ]}

Un destornillador eléctrico inalámbrico con supercondensadores para el almacenamiento de energía tiene aproximadamente la mitad de autonomía que un modelo de batería comparable, pero se puede cargar completamente en 90 segundos. Conserva el 85 % de su carga después de tres meses de inactividad. ^{[ 104 ]}

Generación y distribución de energía

Almacenamiento de energía de la red

Numerosas cargas no lineales, como cargadores de vehículos eléctricos , vehículos híbridos , sistemas de aire acondicionado y sistemas avanzados de conversión de energía, provocan fluctuaciones de corriente y armónicos. ^{[ 105 ]}^{[ 106 ]} Estas diferencias de corriente generan fluctuaciones de voltaje no deseadas y, por lo tanto, oscilaciones de potencia en la red. ^{[ 105 ]} Las oscilaciones de potencia no solo reducen la eficiencia de la red, sino que también pueden causar caídas de voltaje en el bus de acoplamiento común y fluctuaciones de frecuencia considerables en todo el sistema. Para superar este problema, se pueden implementar supercondensadores como interfaz entre la carga y la red para actuar como amortiguador entre la red y la alta potencia de pulso extraída de la estación de carga. ^{[ 107 ]}^{[ 108 ]}

Almacenamiento en búfer de energía para equipos de baja potencia

Rotor con sistema de control de paso de turbina eólica

Los supercondensadores proporcionan alimentación de respaldo o de emergencia a equipos de baja potencia, como memorias RAM , SRAM , microcontroladores y tarjetas PC . Son la única fuente de alimentación para aplicaciones de baja energía, como equipos de lectura automática de contadores (AMR) ^{[ 109 ]} o para la notificación de eventos en electrónica industrial.

Los supercondensadores regulan el suministro eléctrico a las baterías recargables , mitigando los efectos de las interrupciones breves del suministro y los picos de corriente elevados. Las baterías se activan únicamente durante interrupciones prolongadas, por ejemplo , si falla la red eléctrica o una pila de combustible , lo que alarga su vida útil.

Los sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS) pueden alimentarse con supercondensadores, que pueden reemplazar bancos de condensadores electrolíticos mucho más grandes. Esta combinación reduce el costo por ciclo, ahorra en costos de reemplazo y mantenimiento, permite reducir el tamaño de la batería y prolonga su vida útil. ^{[ 110 ]}^{[ 111 ]}^{[ 112 ]}

Los supercondensadores proporcionan energía de respaldo para los actuadores en los sistemas de paso de las turbinas eólicas , de modo que el paso de las palas se puede ajustar incluso si falla la fuente de alimentación principal. ^{[ 113 ]}

Estabilización de voltaje

Los supercondensadores pueden estabilizar las fluctuaciones de voltaje en las líneas eléctricas actuando como amortiguadores. Los sistemas eólicos y fotovoltaicos presentan fluctuaciones en el suministro provocadas por ráfagas de viento o nubes, que los supercondensadores pueden amortiguar en cuestión de milisegundos. ^{[ 114 ]}^{[ 115 ]}

microrredes

Las microrredes suelen alimentarse con energía limpia y renovable. Sin embargo, la mayor parte de esta generación de energía no es constante a lo largo del día y no suele coincidir con la demanda. Los supercondensadores pueden utilizarse para el almacenamiento en microrredes, inyectando energía instantáneamente cuando la demanda es alta y la producción disminuye momentáneamente, y almacenando energía en condiciones inversas. Son útiles en este escenario, ya que las microrredes producen cada vez más energía en CC, y los condensadores pueden utilizarse tanto en aplicaciones de CC como de CA. Los supercondensadores funcionan mejor en combinación con baterías químicas. Proporcionan un búfer de voltaje inmediato para compensar las cargas de potencia que cambian rápidamente debido a su alta tasa de carga y descarga a través de un sistema de control activo. ^{[ 116 ]} Una vez que el voltaje se ha amortiguado, se envía a través de un inversor para suministrar energía de CA a la red. Los supercondensadores no pueden proporcionar corrección de frecuencia de esta forma directamente en la red de CA. ^{[ 117 ]}^{[ 118 ]}

Recolección de energía

Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía temporal adecuados para sistemas de recolección de energía . En estos sistemas, la energía se recolecta de fuentes ambientales o renovables, como el movimiento mecánico, la luz o los campos electromagnéticos , y se convierte en energía eléctrica en un dispositivo de almacenamiento . Por ejemplo, se demostró que la energía recolectada de campos de radiofrecuencia (RF ) (utilizando una antena de RF como circuito rectificador adecuado ) se puede almacenar en un supercondensador impreso. La energía recolectada se utilizó posteriormente para alimentar un circuito integrado de aplicación específica ( ASIC ) durante más de 10 horas. ^{[ 119 ]}

Baterías

La UltraBattery es una batería híbrida recargable de plomo-ácido y un supercondensador. Su estructura incluye un electrodo positivo estándar de batería de plomo-ácido, un electrolito estándar de ácido sulfúrico y un electrodo negativo de carbono especialmente preparado que almacena energía eléctrica con capacitancia de doble capa . La presencia del electrodo de supercondensador modifica la química de la batería y le proporciona una protección significativa contra la sulfatación en condiciones de carga parcial a alta velocidad, que es el modo de fallo típico de las baterías de plomo-ácido reguladas por válvula utilizadas de esta manera. La celda resultante ofrece características superiores a las de una batería de plomo-ácido o un supercondensador, con tasas de carga y descarga, vida útil, eficiencia y rendimiento mejorados.

Médico

Los supercondensadores se utilizan en desfibriladores donde pueden suministrar 500 julios para restablecer el ritmo sinusal del corazón . ^{[ 120 ]}

Militar

La baja resistencia interna de los supercondensadores permite su uso en aplicaciones que requieren altas corrientes durante cortos periodos de tiempo. Entre sus primeros usos se encuentran el arranque de motores (arranques en frío, especialmente en motores diésel) para grandes motores de tanques y submarinos. Los supercondensadores amortiguan la batería, gestionando picos de corriente puntuales, reduciendo los ciclos de carga y descarga y prolongando su vida útil. Otras aplicaciones militares que requieren alta potencia específica incluyen antenas de radar de matriz en fase, fuentes de alimentación láser, comunicaciones de radio militares, pantallas e instrumentación de aviónica, alimentación de respaldo para el despliegue de airbags y misiles y proyectiles guiados por GPS.

Transporte

Un desafío primordial para todo el transporte es reducir el consumo de energía y reducir las emisiones de CO₂._2. Emisiones. La recuperación de la energía de frenado (recuperación ofrenado regenerativo) ayuda a mitigar ambas. Esto requiere componentes capaces de almacenar y liberar energía rápidamente durante largos periodos con una alta frecuencia de ciclo. Los supercondensadores cumplen estos requisitos y, por lo tanto, se utilizan en diversas aplicaciones del transporte.

Aviación

En 2005, la empresa de sistemas y controles aeroespaciales Diehl Luftfahrt Elektronik GmbH eligió supercondensadores para alimentar los actuadores de emergencia de las puertas y los toboganes de evacuación utilizados en los aviones comerciales , incluido el Airbus 380. ^{[ 113 ]}

Carril

Los supercondensadores pueden utilizarse para complementar las baterías en los sistemas de arranque de locomotoras diésel con transmisión diésel-eléctrica . Estos condensadores capturan la energía de frenado durante una parada completa y suministran la corriente máxima para el arranque del motor diésel y la aceleración del tren, garantizando la estabilización de la tensión de línea. Dependiendo del modo de conducción, es posible un ahorro energético de hasta un 30 % gracias a la recuperación de la energía de frenado. Su bajo mantenimiento y el uso de materiales respetuosos con el medio ambiente han impulsado la elección de los supercondensadores. ^[¹²¹^]

Maquinaria de planta

Las grúas pórtico móviles híbridas diésel -eléctricas con neumáticos de caucho mueven y apilan contenedores dentro de una terminal. Elevar las cajas requiere grandes cantidades de energía. Parte de la energía podría recuperarse al bajar la carga, lo que resultaría en una mayor eficiencia. ^{[ 122 ]} Una carretilla elevadora híbrida triple utiliza pilas de combustible y baterías como almacenamiento de energía primaria y supercondensadores para amortiguar los picos de potencia almacenando la energía de frenado. Proporcionan a la carretilla elevadora una potencia máxima de más de 30 kW. El sistema híbrido triple ofrece un ahorro de energía de más del 50 % en comparación con los sistemas diésel o de pilas de combustible. ^{[ 123 ]} Los tractores de terminal alimentados por supercondensadores transportan contenedores a los almacenes. Proporcionan una alternativa económica, silenciosa y libre de contaminación a los tractores de terminal diésel. ^{[ 124 ]}

Tren Ligero

Los supercondensadores permiten no solo reducir el consumo energético, sino también reemplazar las líneas aéreas en zonas históricas de la ciudad, preservando así su patrimonio arquitectónico. Este enfoque podría permitir que muchas líneas de tren ligero urbanas nuevas sustituyan los cables aéreos cuya instalación completa resulta demasiado costosa.

En 2003, Mannheim adoptó un prototipo de vehículo de tren ligero (LRV) que utilizaba el sistema MITRAC Energy Saver de Bombardier Transportation para almacenar la energía de frenado mecánico con una unidad de supercondensadores montada en el techo. ^{[ 125 ]}^{[ 126 ]} Contiene varias unidades, cada una compuesta por 192 condensadores de 2700 F / 2,7 V interconectados en tres líneas paralelas. Este circuito da como resultado un sistema de 518 V con un contenido energético de 1,5 kWh. Para la aceleración al arrancar, este "sistema a bordo" puede proporcionar al LRV 600 kW y puede conducir el vehículo hasta 1 km sin suministro de catenaria , integrando así mejor el LRV en el entorno urbano. En comparación con los LRV convencionales o los vehículos de metro que devuelven energía a la red, el almacenamiento de energía a bordo ahorra hasta un 30 % y reduce la demanda máxima de la red hasta en un 50 %. ^{[ 127 ]}

Los supercondensadores se utilizan para alimentar la línea de tranvía T3 de París en tramos sin catenaria y para recuperar energía durante el frenado.

En 2009, los supercondensadores permitieron que los vehículos ligeros sobre raíles (LRV) operaran en el centro histórico de Heidelberg sin catenarias, preservando así el patrimonio arquitectónico de la ciudad. El equipo de supercondensadores tuvo un coste adicional de 270.000 € por vehículo, que se esperaba recuperar durante los primeros 15 años de funcionamiento. Los supercondensadores se cargan en las estaciones de parada cuando el vehículo se encuentra en una parada programada. En abril de 2011, el operador de transporte regional alemán Rhein-Neckar, responsable de Heidelberg, encargó otras 11 unidades. ^[¹²⁸^]

En 2009, Alstom y RATP equiparon un tranvía Citadis con un sistema experimental de recuperación de energía llamado "STEEM". ^{[ 129 ]} El sistema está equipado con 48 supercondensadores montados en el techo para almacenar la energía de frenado, lo que proporciona a los tranvías un alto nivel de autonomía energética al permitirles circular sin líneas eléctricas aéreas en partes de su ruta, recargándose mientras viajan en estaciones de parada con suministro eléctrico. Durante las pruebas, que tuvieron lugar entre las paradas Porte d'Italie y Porte de Choisy en la línea T3 de la red de tranvías de París , el tranvía consumió un promedio de aproximadamente un 16 % menos de energía. ^{[ 130 ]}

En 2012, el operador de tranvías Geneva Public Transport comenzó las pruebas de un LRV equipado con una unidad prototipo de supercondensador montada en el techo para recuperar la energía de frenado. ^{[ 131 ]}

Siemens está suministrando sistemas de transporte ferroviario ligero mejorados con supercondensadores que incluyen almacenamiento móvil. ^{[ 132 ]}

La línea de metro de la Isla Sur de Hong Kong estará equipada con dos unidades de almacenamiento de energía de 2 MW que se espera reduzcan el consumo de energía en un 10 %. ^{[ 133 ]}

En agosto de 2012, la corporación china CSR Zhuzhou Electric Locomotive presentó un prototipo de tren ligero de metro de dos vagones equipado con una unidad de supercondensadores montada en el techo. El tren puede recorrer hasta 2 km sin cables, recargándose en 30 segundos en las estaciones mediante un punto de recogida en tierra. El proveedor afirmó que los trenes podrían utilizarse en 100 ciudades chinas pequeñas y medianas. ^{[ 134 ]} Siete tranvías (vehículos de calle) alimentados por supercondensadores estaban programados para entrar en funcionamiento en 2014 en Guangzhou , China. Los supercondensadores se recargan en 30 segundos mediante un dispositivo situado entre los raíles. Esto alimenta el tranvía durante hasta 4 kilómetros (2,5 millas) . ^[¹³⁵^] A partir de 2017, los vehículos con supercondensadores de Zhuzhou también se utilizan en el nuevo sistema de tranvías de Nanjing y están en fase de pruebas en Wuhan . ^[¹³⁶^]

En 2012, en Lyon (Francia), SYTRAL (Administración de Transporte Público de Lyon) inició experimentos de un sistema de "regeneración de vías" construido por Adetel Group, que ha desarrollado su propio ahorrador de energía llamado "NeoGreen" para LRV, LRT y metros. ^{[ 137 ]}

En 2014, China comenzó a utilizar tranvías propulsados por supercondensadores que se recargan en 30 segundos mediante un dispositivo situado entre los raíles, almacenando energía para que el tranvía funcione hasta 4 km, más que suficiente para llegar a la siguiente parada, donde se puede repetir el ciclo.

En 2015, Alstom anunció SRS, un sistema de almacenamiento de energía que carga supercondensadores a bordo de un tranvía mediante rieles conductores a nivel del suelo ubicados en las paradas. Esto permite que los tranvías operen sin catenarias en distancias cortas. ^{[ 138 ]} El sistema se ha promocionado como una alternativa al sistema de suministro de energía a nivel del suelo (APS) de la compañía, o puede usarse junto con él, como en el caso de la red VLT en Río de Janeiro , Brasil, que se inauguró en 2016. ^{[ 139 ]}

CAF también ofrece supercondensadores en sus tranvías Urbos 3 en forma de su sistema ACR . ^{[ 140 ]}

autobuses

Maxwell Technologies , un fabricante estadounidense de supercondensadores, afirmó que más de 20.000 autobuses híbridos utilizan estos dispositivos para aumentar la aceleración, especialmente en China.

El primer autobús híbrido eléctrico con supercondensadores de Europa llegó en 2001 a Núremberg , Alemania. Se trataba del denominado "Ultracapbus" de MAN, que se probó en condiciones reales entre 2001 y 2002. El vehículo de prueba estaba equipado con un sistema de propulsión diésel-eléctrico combinado con supercondensadores. El sistema se alimentaba con 8 módulos Ultracap de 80 V, cada uno con 36 componentes. Funcionaba a 640 V y podía cargarse/descargarse a 400 A. Su capacidad energética era de 0,4 kWh y pesaba 400 kg.

Los supercondensadores recuperaron la energía de frenado y suministraron energía de arranque. El consumo de combustible se redujo entre un 10 y un 15 % en comparación con los vehículos diésel convencionales. Otras ventajas incluyeron la reducción de las emisiones de CO₂.₂ emisiones, arranques del motor silenciosos y sin emisiones, menor vibración y costes de mantenimiento reducidos.^{[ 141 ]}^{[ 142 ]}

A partir de 2002En Lucerna , Suiza, se probó una flota de autobuses eléctricos llamada TOHYCO-Rider. Los supercondensadores podían recargarse mediante un cargador inductivo de alta velocidad sin contacto después de cada ciclo de transporte, en un plazo de 3 a 4 minutos. ^{[ 143 ]}

A principios de 2005, Shanghái probó un nuevo tipo de autobús eléctrico llamado capabus que funciona sin líneas eléctricas (operación sin catenaria) utilizando grandes supercondensadores a bordo que se recargan parcialmente cuando el autobús está parado (bajo los llamados paraguas eléctricos) y se cargan completamente en la terminal . En 2006, dos rutas de autobuses comerciales comenzaron a utilizar los capabuses; una de ellas es la ruta 11 en Shanghái. Se estimó que el autobús con supercondensadores era más barato que un autobús con batería de iones de litio, y uno de sus autobuses tenía un costo energético diez veces menor que el de un autobús diésel, con un ahorro de combustible de 200 000 dólares a lo largo de su vida útil. ^{[ 144 ]}

En 2008, la Universidad de Glamorgan , en Gales , presentó un autobús eléctrico híbrido llamado tribrid para su uso como transporte estudiantil. Se alimenta con hidrógeno como combustible o con células solares , baterías y ultracondensadores. ^[¹⁴⁵^]^[¹⁴⁶^]

carreras de automovilismo

La FIA , organismo rector de los eventos de carreras de motor, propuso en el Marco de Regulación de Trenes de Potencia para Fórmula 1 versión 1.3 del 23 de mayo de 2007 que se emitiera un nuevo conjunto de regulaciones de trenes de potencia que incluyera un tren de potencia híbrido de hasta 200 kW de potencia de entrada y salida usando "superbaterías" hechas con baterías y supercondensadores conectados en paralelo ( KERS ). ^{[ 147 ]}^{[ 148 ]} Se podría alcanzar una eficiencia de tanque a rueda de aproximadamente el 20% usando el sistema KERS. El auto Toyota TS030 Hybrid LMP1, un auto de carreras desarrollado bajo las reglas de prototipos de Le Mans , usa un tren de potencia híbrido con supercondensadores. ^{[ 149 ]}^{[ 150 ]} En las 24 Horas de Le Mans de 2012 , un TS030 se clasificó con una vuelta rápida solo 1,055 segundos más lenta (3:24.842 frente a 3:23.787) ^{[ 151 ]} que el coche más rápido, un Audi R18 e-tron quattro con almacenamiento de energía de volante de inercia . Los componentes del supercondensador y del volante de inercia, cuyas capacidades de carga y descarga rápida ayudan tanto en el frenado como en la aceleración, hicieron que los híbridos de Audi y Toyota fueran los coches más rápidos de la carrera. En la carrera de Le Mans de 2012, los dos TS030 que competían, uno de los cuales estuvo en cabeza durante parte de la carrera, ambos se retiraron por razones no relacionadas con los supercondensadores. El TS030 ganó tres de las 8 carreras de la temporada 2012 del Campeonato Mundial de Resistencia de la FIA . En 2014, el Toyota TS040 Hybrid utilizó un supercondensador para añadir 480 caballos de fuerza a partir de dos motores eléctricos. ^{[ 135 ]} En 2024, la serie de carreras IndyCar introdujo un sistema de energía híbrido compuesto por 20 supercondensadores. ^{[ 152 ]}

Vehículos eléctricos híbridos

Las combinaciones de supercondensadores y baterías en vehículos eléctricos (VE) y vehículos eléctricos híbridos (VEH) han sido ampliamente investigadas. ^{[ 100 ]}^{[ 153 ]}^{[ 154 ]} Se ha afirmado una reducción de combustible del 20 al 60 % mediante la recuperación de la energía de frenado en VE o VEH. La capacidad de los supercondensadores para cargarse mucho más rápido que las baterías, sus propiedades eléctricas estables, su rango de temperatura más amplio y su mayor vida útil son ventajosos, pero el peso, el volumen y, sobre todo, el coste, mitigan esas ventajas.

La menor energía específica de los supercondensadores los hace inadecuados para su uso como fuente de energía independiente en la conducción de larga distancia. ^{[ 155 ]} La mejora en el ahorro de combustible entre una solución con condensadores y una con baterías es de aproximadamente un 20 % y solo está disponible para viajes cortos. Para la conducción de larga distancia, la ventaja se reduce al 6 %. Los vehículos que combinan condensadores y baterías solo se utilizan en prototipos experimentales. ^{[ 156 ]}

A partir de 2013Todos los fabricantes de automóviles de EV o HEV han desarrollado prototipos que utilizan supercondensadores en lugar de baterías para almacenar energía de frenado con el fin de mejorar la eficiencia de la transmisión. Se informa que el Mazda 6 fue el primer automóvil de producción en utilizar supercondensadores para recuperar energía de frenado. El sistema, denominado i-eloop, almacena energía en un supercondensador durante la desaceleración y la utiliza para alimentar los sistemas eléctricos a bordo mientras el motor está detenido por el sistema de arranque y parada. Se afirma que el frenado regenerativo reduce el consumo de combustible en aproximadamente un 10 %. ^[¹⁵⁷^] El automóvil conceptual Toyota Yaris Hybrid-R utiliza un supercondensador para proporcionar ráfagas de potencia. PSA Peugeot Citroën instala supercondensadores en algunos de sus automóviles como parte de su sistema de ahorro de combustible de arranque y parada, ya que esto permite arranques más rápidos cuando los semáforos se ponen en verde. ^[¹³⁵^] La serie rusa Yo-cars Ё-mobile fue un vehículo híbrido conceptual y crossover que funcionaba con un tipo de paleta rotativa accionada por gasolina y un generador eléctrico para accionar los motores de tracción. Un supercondensador con capacitancia relativamente baja recupera la energía de frenado para alimentar el motor eléctrico al acelerar desde parado. ^[¹⁵⁸^]

Góndolas

En Zell am See , Austria , un teleférico conecta la ciudad con la montaña Schmittenhöhe . Las góndolas a veces funcionan las 24 horas del día, utilizando electricidad para la iluminación, la apertura de puertas y la comunicación. El único tiempo disponible para recargar las baterías en las estaciones es durante los breves intervalos de embarque y desembarque de pasajeros, que son demasiado cortos para recargarlas. Los supercondensadores ofrecen una carga rápida, un mayor número de ciclos y una vida útil más larga que las baterías. El teleférico Emirates Air Line , también conocido como teleférico del Támesis, es una línea de góndolas de 1 kilómetro (0,62 millas) en Londres , Reino Unido , que cruza el Támesis desde la península de Greenwich hasta los Royal Docks . Las cabinas están equipadas con un moderno sistema de infoentretenimiento, alimentado por supercondensadores. ^{[ 159 ]}^{[ 160 ]}

Técnicas asistidas por supercondensadores (SCA)

En las dos décadas (2005-2025) surgió una nueva familia de aplicaciones de supercondensadores conocida como técnicas asistidas por supercondensadores (SCA), basadas en la investigación realizada en la Universidad de Waikato en Hamilton, Nueva Zelanda. Esta familia de técnicas SCA ^{[ 161 ]}^{[ 162 ]}^{[ 163 ]} incluye tipos únicos de convertidores CC-CC, sistemas de protección contra rayos, disyuntores de CC y aparatos alimentados por CC como electrodomésticos, etc. Estas técnicas desarrolladas por el grupo Waikato Power Electronics Research (WaiPER) bajo el liderazgo del Prof. Nihal Kularatna han culminado en varias patentes, ^{[ 164 ]}^{[ 165 ]}^{[ 166 ]} publicaciones de investigación ^{[ 167 ]}^{[ 168 ]}^{[ 169 ]}^{[ 170 ]}^{[ 161 ]}^{[ 171 ]}^{[ 162 ]} y algunos productos comerciales ^{[ 172 ]} como la serie Prodigy 8.

El regulador de baja caída asistido por supercondensador (SCALDO) ^{[ 166 ]}^{[ 161 ]}^{[ 173 ]}^{[ 174 ]} es la primera técnica exitosa de convertidor de potencia dentro de la familia SCA. El absorbedor de sobretensiones asistido por supercondensador (SCASA) es la primera técnica de protección contra sobretensiones basada en supercondensadores ^{[ 164 ]} que fue comercializada por Thor Technologies, Perth, Australia. La técnica LED asistida por supercondensador (SCALED) es una técnica de iluminación de CC de alta eficiencia destinada a futuros edificios basados en redes de CC. ^{[ 175 ]}^{[ 162 ]} Con el desarrollo de futuros sistemas de CC basados en microrredes de CC, también se desarrolló recientemente la técnica de interruptor de circuito de CC basada en la bomba de energía transitoria SCA (SCATEP). ^{[ 176 ]}

Las técnicas SCA se basan en un nuevo concepto teórico único publicado ahora como SCA Loss Management (SCALoM) ^{[ 177 ]}^{[ 162 ]}^{[ 178 ]} y esta nueva familia de convertidores de potencia y sistemas de protección están dirigidos a futuras microrredes de CC, hogares de CC y electrodomésticos de CC basados en energía renovable.

Desarrollos

A partir de 2013Los supercondensadores de iones de litio disponibles comercialmente ofrecieron la energía específica gravimétrica más alta hasta la fecha, alcanzando 15 Wh/kg (54 kJ/kg ). La investigación se centra en mejorar la energía específica, reducir la resistencia interna, ampliar el rango de temperatura, aumentar la vida útil y reducir los costos. ^{[ 21 ]} Los proyectos incluyen electrodos con tamaño de poro a medida, recubrimiento pseudocapacitivo o materiales dopados y electrolitos mejorados.

^La investigación de materiales para electrodos requiere la medición de componentes individuales, como un electrodo o una semicelda.^{[ 199 ]} Al utilizar un contraelectrodo que no afecte las mediciones, se pueden revelar las características únicamente del electrodo de interés. La energía y la potencia específicas para supercondensadores reales solo tienen aproximadamente 1/3 de la densidad del electrodo.

Mercado

A partir de 2016Las ventas mundiales de supercondensadores rondan los 400 millones de dólares estadounidenses. ^{[ 200 ]}

El mercado de baterías (estimado por Frost & Sullivan ) creció de 47.500 millones de dólares (de los cuales el 76,4%, o 36.300 millones de dólares, correspondían a baterías recargables) a 95.000 millones de dólares. ^{[ 201 ]} El mercado de supercondensadores sigue siendo un nicho de mercado pequeño que no está a la altura de su rival más grande.

En 2016, IDTechEx pronosticó que las ventas crecerían de 240 millones de dólares a 2 mil millones de dólares para 2026, un aumento anual de aproximadamente el 24%. ^{[ 202 ]}

Los costos de los supercondensadores en 2006 eran de US$0,01 por faradio o US$2,85 por kilojulio, cayendo en 2008 por debajo de US$0,01 por faradio, y se esperaba que siguieran bajando a medio plazo. ^{[ 203 ]}

Véase también

Vehículo Capa – Tipo de vehículo de transporte Páginas que muestran descripciones breves de destinos de redirección
Tipos de condensadores : estilos de fabricación de un dispositivo electrónico.
Polímero microporoso conjugado – Tipo de material poroso
Batería para vehículos eléctricos : batería recargable utilizada para vehículos.
Almacenamiento de energía mediante volante de inercia : método para almacenar energía.
Lista de tecnologías emergentes : nuevas tecnologías en fase de desarrollo.
Condensador de iones de litio : condensador de tipo híbrido.
Linterna de accionamiento mecánico – Linterna de accionamiento manual
Nanoflor : compuesto que da lugar a formaciones que, vistas al microscopio, se asemejan a flores.

Referencias

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