Los supercondensadores se utilizan normalmente como dispositivos de almacenamiento de energía. Los supercondensadores almacenan una gran cantidad de carga eléctrica en comparación con los condensadores electrolíticos y todos los demás tipos de condensadores convencionales.
El supercondensador está formado por electrodos de gran superficie y un dieléctrico muy fino que permite conseguir una capacitancia muy grande (gran almacenamiento de carga). Los supercondensadores suelen almacenar entre 10 y 100 veces más carga por unidad de volumen que los condensadores electrolíticos.
¿Qué es un Supercondensador?
El supercondensador es un dispositivo electrónico que almacena gran cantidad de carga eléctrica. Estos condensadores también se conocen como ultracapacitores o condensadores electroquímicos de doble capa.
¿En qué se Diferencian los Supercondensadores de los Condensadores Convencionales?
El material utilizado para construir los supercondensadores difiere de los condensadores convencionales. Un condensador convencional consta de dos electrodos conductores separados por un material aislante. Las placas conductoras del condensador son buenas conductoras de la electricidad, por lo que permiten fácilmente el paso de la corriente eléctrica. Por otro lado, el material dieléctrico (material aislante) es un mal conductor de la electricidad, por lo que no permite que la corriente eléctrica pase a través de él.
Cuando se aplica un voltaje al condensador de tal manera que, el terminal positivo de la batería está conectado al electrodo o placa del lado izquierdo y el terminal negativo de la batería está conectado a la placa del lado derecho, las cargas positivas se acumulan en el electrodo del lado izquierdo y las cargas negativas se acumulan en el electrodo del lado derecho.
En palabras sencillas, cuando se aplica tensión al condensador convencional, se acumulan cargas opuestas en la superficie de los electrodos.
En los condensadores convencionales, la capacitancia (almacenamiento de carga) es directamente proporcional a la superficie de cada electrodo o placa e inversamente proporcional a la distancia entre los electrodos. En palabras sencillas, el condensador con electrodos de gran superficie y dieléctrico muy fino consigue una mayor capacitancia (almacena gran cantidad de carga eléctrica) mientras que los condensadores con electrodos de pequeña superficie y dieléctrico muy grueso consiguen una capacitancia menor (almacena poca cantidad de carga eléctrica). Así es como los condensadores convencionales almacenan la carga eléctrica.
Los condensadores y las baterías se diferencian en dos aspectos: la cantidad de almacenamiento de carga y la rapidez con la que se suministra la energía (carga). Las baterías pueden almacenar una mayor cantidad de carga que los condensadores convencionales, pero el principal inconveniente de las baterías es que no pueden suministrar la energía (carga) muy rápidamente.
Por otro lado, los condensadores suministran la energía (carga) muy rápidamente (se descargan muy rápidamente) pero el principal inconveniente de los condensadores es que no pueden almacenar una gran cantidad de carga como las baterías.
Estos dos inconvenientes (gran almacenamiento de carga y entrega rápida de la misma) pueden superarse utilizando supercondensadores.
Los supercondensadores también funcionan como los condensadores convencionales. Sin embargo, los supercondensadores se diferencian de los convencionales en dos aspectos: los supercondensadores tienen electrodos de gran superficie y un dieléctrico muy fino (la distancia de separación entre los electrodos es muy pequeña) en comparación con los condensadores convencionales. Esto permite conseguir una mayor capacitancia (mayor almacenamiento de carga) que los condensadores convencionales.
Los supercondensadores almacenan gran cantidad de carga como las baterías y entregan energía o carga muy rápidamente como los condensadores convencionales.
Tipos de Supercondensadores
Los supercondensadores se clasifican principalmente en tres tipos:
- Condensadores de doble capa
- Pseudocondensadores
- Condensadores híbridos
Condensadores de Doble Capa
Un condensador de doble capa consta de dos electrodos, un separador y un electrolito. El electrolito es una mezcla de iones positivos y negativos disueltos en agua. Los dos electrodos están separados por un separador.
La superficie del electrodo izquierdo hace contacto con el electrolito líquido del lado izquierdo de forma similar; la superficie del electrodo derecho hace contacto con el electrolito líquido del lado derecho. El punto en el que se encuentran el electrolito líquido y la superficie del electrodo formará un límite común para el electrolito líquido y la superficie sólida insoluble del electrodo.
En la región donde se encuentran la superficie del electrodo y la solución electrolítica se acumulan dos cargas opuestas. Estas cargas opuestas se representan como dos capas de carga eléctrica o capas de carga eléctrica doble. Cada electrodo del supercondensador genera dos capas de carga eléctrica.
Una capa de carga se forma en la superficie del electrodo con una polaridad (positiva o negativa) y otra capa de carga se forma en la solución electrolítica cerca de la superficie del electrodo con polaridad opuesta (negativa o positiva). Estas dos capas de carga están separadas por una monocapa (capa con una molécula de espesor) de moléculas de disolvente o de agua.
Las moléculas de disolvente están estrechamente unidas a la superficie del electrodo y separan los iones de carga opuesta. Las moléculas de disolvente que separan las cargas opuestas actúan como dieléctrico (molécula dieléctrica).
Las moléculas de disolvente no permiten que las cargas eléctricas las atraviesen. Por lo tanto, no fluyen cargas eléctricas entre el electrodo y el electrolito.
Cuando se aplica tensión al condensador de forma que el terminal positivo de la batería se conecta al electrodo del lado izquierdo y el terminal negativo de la batería se conecta al electrodo del lado derecho, el condensador de doble capa comienza a cargarse.
Debido a esta tensión de alimentación, se acumula un gran número de cargas positivas en la superficie del electrodo del lado izquierdo y un gran número de cargas negativas en la superficie del electrodo del lado derecho. Estas cargas actúan como las cargas de la primera capa.
Los iones negativos del electrolito experimentan una fuerte fuerza de atracción del electrodo cargado positivamente. Como resultado, los iones negativos se mueven hacia el electrodo cargado positivamente. Del mismo modo, los iones positivos del electrolito experimentan una fuerte fuerza de atracción del electrodo cargado negativamente. Como resultado, los iones positivos se mueven hacia el electrodo cargado negativamente.
Cuando estos iones negativos o positivos se acercan al electrodo, experimentan una fuerte oposición de las moléculas del disolvente. Por lo tanto, no se transfiere ninguna carga del electrolito al electrodo o del electrodo al electrolito. Sin embargo, estas cargas opuestas ejercen una fuerza electrostática entre sí. Así, se acumula una gran cantidad de carga en el límite común del electrodo y el electrolito.
Los materiales de electrodos más utilizados para los condensadores de doble capa o supercondensadores son el carbono activado, el aerogel de carbono, el tejido de fibra de carbono y los nanotubos de carbono.
Pseudocondensadores
Los pseudocondensadores almacenan energía eléctrica mediante la transferencia de carga de electrones entre el electrodo y el electrolito (electrones del electrolito al cátodo o del cátodo al electrolito). Esto se puede hacer mediante Redox (reacción de reducción-oxidación).
- Reducción: La reducción se produce cuando el átomo gana un electrón y se vuelve más negativo.
- Oxidación: La oxidación se produce cuando el átomo pierde un electrón y se vuelve más positivo.
- Reducción-oxidación: La reducción-oxidación se produce cuando un átomo gana (o pierde) un electrón y otro pierde (o gana) un electrón. En los pseudocondensadores, la reacción de oxidación-reducción se produce entre el electrodo y la solución electrolítica.
En los pseudocondensadores, el almacenamiento de carga (capacitancia) resulta de la transferencia de carga entre el electrolito y el electrodo.
Cuando se aplica una tensión al pseudocondensador, los átomos o iones cargados del electrolito se desplazan hacia el electrodo de carga opuesta. Entre la superficie del electrodo y el electrolito adyacente se forman dos capas eléctricas o capas dobles eléctricas. Estas dos capas eléctricas están separadas por moléculas de electrolito.
Los átomos cargados del electrolito dentro de la doble capa actúan como donantes de electrones y los transfieren a los átomos del electrodo. Como resultado, los átomos del electrodo se cargan. Así, la carga se almacena en la doble capa eléctrica.
Los pseudocondensadores utilizan polímeros conductores u óxidos metálicos como electrodos. La cantidad de carga eléctrica almacenada en un pseudocondensador es directamente proporcional a la tensión aplicada. La pseudo-capacitancia se mide en faradios.
Condensadores Híbridos
Los condensadores híbridos se desarrollan utilizando las técnicas de los condensadores de doble capa y los pseudocondensadores. En los condensadores híbridos se consigue tanto la capacitancia de doble capa como la pseudo-capacitancia.
Características
Tiempo de Carga
Los supercondensadores tienen tiempos de carga y descarga comparables a los de los condensadores convencionales. Es posible alcanzar altas corrientes de carga y descarga gracias a su baja resistencia interna. Las baterías suelen tardar hasta varias horas en alcanzar un estado de carga completa (un buen ejemplo es la batería de un teléfono móvil), mientras que los supercondensadores pueden alcanzar el mismo estado de carga en menos de dos minutos.
Potencia específica
La potencia específica de una batería o un supercondensador es una medida utilizada para comparar diferentes tecnologías en términos de potencia máxima dividida por la masa total del dispositivo. Los supercondensadores tienen una potencia específica entre 5 y 10 veces mayor que la de las baterías. Por ejemplo, mientras que las baterías de iones de litio tienen una potencia específica de 1 a 3 kW/kg, la potencia específica de un supercondensador típico es de unos 10 kW/kg. Esta propiedad es especialmente importante en aplicaciones que requieren ráfagas rápidas de energía para ser liberadas del dispositivo de almacenamiento.
Ciclo de Vida y Seguridad
Las baterías de supercondensadores son más seguras que las ordinarias cuando se maltratan. Mientras que las baterías son conocidas por explotar debido a un calentamiento excesivo cuando se cortocircuitan, los supercondensadores no se calientan tanto debido a su baja resistencia interna. Un cortocircuito en un supercondensador completamente cargado provocará una rápida liberación de la energía almacenada, lo que puede causar un arco eléctrico y podría dañar el dispositivo, pero a diferencia de las pilas, el calor generado no es preocupante.
Los supercondensadores pueden cargarse y descargarse millones de veces y tienen una vida útil prácticamente ilimitada, mientras que las baterías sólo tienen una vida útil de 500 veces o más. Esto hace que los supercondensadores sean muy útiles en aplicaciones en las que es necesario almacenar y liberar energía con frecuencia.
Desventajas
Los supercondensadores también tienen algunas desventajas. Una de las desventajas es una energía específica relativamente baja. La energía específica es una medida de la cantidad total de energía almacenada en el dispositivo dividida por su peso. Mientras que las baterías de iones de litio utilizadas habitualmente en los teléfonos móviles tienen una energía específica de 100-200 Wh/kg, los supercondensadores sólo pueden almacenar normalmente 5 Wh/kg. Esto significa que un supercondensador que tenga la misma capacidad (no capacitancia) que una batería normal pesaría hasta 40 veces más. La energía específica no debe confundirse con la potencia específica, que es una medida de la potencia máxima de salida de un dispositivo por peso.
Otra desventaja es la tensión de descarga lineal. Por ejemplo, una batería de 2,7 V, con una carga del 50%, seguiría produciendo una tensión cercana a los 2,7 V, mientras que un supercondensador de 2,7 V con una carga del 50% produciría exactamente la mitad de su tensión de carga máxima: 1,35 V. Esto significa que la tensión de salida caería por debajo de la tensión mínima de funcionamiento del dispositivo que funciona con un supercondensador, por ejemplo un teléfono móvil, y el dispositivo tendría que apagarse antes de utilizar toda la carga del condensador. Una solución a este problema es utilizar convertidores CC-CC. Este enfoque introduce nuevas dificultades, como la eficiencia y el ruido de la energía.
El coste es la tercera gran desventaja de los supercondensadores disponibles actualmente. El coste por Wh de un supercondensador es más de 20 veces superior al de las baterías de iones de litio. Sin embargo, el coste puede reducirse mediante nuevas tecnologías y la producción en masa de baterías de supercondensadores.
La baja energía específica, la tensión de descarga lineal y el elevado coste son las principales razones que impiden que los supercondensadores sustituyan a las baterías en la mayoría de las aplicaciones.
Ventajas de los Supercondensadores
- Almacena gran cantidad de carga en comparación con los condensadores convencionales (alta capacitancia).
- Suministra energía o carga muy rápidamente (alta densidad de potencia)
- Larga vida útil
- Bajo coste
- Los supercondensadores no explotan como las baterías aunque se sobrecarguen.
Aplicaciones de los Supercondensadores
Los supercondensadores se utilizan en lo siguiente:
- Aplicaciones de energía solar
- Los supercondensadores se utilizan en dispositivos electrónicos como ordenadores portátiles, reproductores multimedia portátiles, dispositivos de mano y sistemas fotovoltaicos para estabilizar el suministro de energía.
- Los supercondensadores se utilizan como dispositivos de almacenamiento temporal de energía para sistemas de captación de energía.
- Los supercondensadores se utilizan en desfibriladores (un instrumento que controla los latidos irregulares del corazón suministrando corriente eléctrica a la pared torácica).