En el siglo XXI, los recursos energéticos han adquirido un papel importante en diversos dispositivos electrónicos. Anteriormente, los combustibles fósiles eran la principal fuente de energía del entorno. Sin embargo, su uso continuo ha generado problemas como la depleción de recursos y no es seguro para el ecosistema [1]. Por lo tanto, la prevención de la crisis energética se ha convertido en un tema de gran importancia. En la actualidad, la demanda de recursos energéticos sostenibles y libres de carbono, así como económicamente accesibles, está aumentando rápidamente debido al consumo acelerado de combustibles fósiles y al crecimiento de la población mundial [2]. Sin embargo, el almacenamiento de estos recursos energéticos sigue siendo una gran preocupación. Por lo tanto, el entorno moderno se está enfocando en gran medida en la energía solar, una de las fuentes más comunes de energía renovable debido a la abundancia de luz solar [3]. Además, la mayoría de los países en desarrollo se encuentran en regiones con acceso máximo a la luz solar, como se muestra en la Figura 1 [4], [5], [6], [7]. El desarrollo de nuevas formas de capturar la energía solar y muchas otras invenciones impulsadas por energía solar, junto con sistemas de almacenamiento eficientes, se ha convertido en un campo de investigación intensivo [8]. Un capacitor electroquímico es uno de los dispositivos de almacenamiento de energía con alta densidad de potencia, capaz de cargarse y descargarse en fracciones de segundo, lo que lo hace adecuado para aplicaciones que requieren altas corrientes en respuesta a sobretensiones o apagones de energía. La tecnología de energía solar también es accesible para todos los aspectos de la vida humana. Debido a su alta durabilidad y capacidad de suministro de energía, los capacitores electroquímicos son útiles en diversas aplicaciones domésticas y comerciales. Se utilizan en tareas domésticas como taladros inalámbricos recargables con tecnología de sensor de circuito alimentada por un capacitor electroquímico para una carga instantánea y uso inmediato. La tecnología híbrida maravillosa, es decir, los capacitores electroquímicos solares que incorporan tanto el sistema de captura de energía como el sistema de almacenamiento de energía en un solo dispositivo, pueden convertirse en una gran ventaja en un futuro cercano en aplicaciones militares y espaciales, donde se pueden utilizar para respaldar la energía de electrónica en la caja negra de un helicóptero, vehículos armados, misiles, satélites, etc. Los capacitores electroquímicos solares también pueden ser útiles en el transporte público y en vehículos híbridos eléctricos (HEV). Anteriormente, el transporte público y diferentes vehículos como tranvías, enfrentaban desafíos al aprovechar la energía regenerativa al frenar para realizar paradas frecuentes y acelerar para partir. Esto se puede superar mediante la implementación de capacitores electroquímicos solares para la captura instantánea y el almacenamiento de energía, seguido de su descarga según sea necesario, lo que mejora la eficiencia. Por otro lado, los vehículos HEV enfrentan problemas de estabilidad de temperatura, lo cual puede ser eliminado mediante el uso de capacitores electroquímicos solares para una disipación efectiva del calor y para manejar otros problemas térmicos. La representación de algunas aplicaciones adicionales de capacitores electroquímicos solares se muestra en la Figura Los dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías, las celdas de combustible y los capacitores electroquímicos, tienen un concepto similar de almacenamiento de energía en la interfaz de electrodo y electrolito, con la separación de la transferencia de electrones e iones, pero tienen un mecanismo de almacenamiento diferente que funciona en base a la conversión electroquímica de energía [9]. Una batería es un dispositivo que consta de una o más celdas electroquímicas con terminales o contactos, es decir, terminal positivo (cátodo) y terminal negativo (ánodo), a través de los cuales la energía química se convierte en energía eléctrica y se utiliza como fuente de energía. A diferencia de una batería, una celda de combustible es un dispositivo que convierte el suministro continuo de su propio combustible, como hidrógeno, metanol, propano, diésel o gas natural, en energía eléctrica a través de reacciones químicas, y también puede tener un componente de batería para proporcionar energía para el inicio del sistema. Sin embargo, un capacitor electroquímico es un dispositivo de almacenamiento de energía que almacena y libera energía mediante la transferencia de carga de electrones en la interfaz de electrodo y electrolito, y ofrece una capacitancia más alta en comparación con los capacitores convencionales. En las baterías, el mecanismo de almacenamiento de energía ocurre en un sistema cerrado donde la transferencia de carga ocurre entre dos electrodos (masas activas) y la reacción química tiene lugar en la misma celda, sin embargo, en la celda de combustible, las reacciones se suministran en un sistema abierto (fuera de la celda o del entorno) [10]. Los mecanismos de estos tres dispositivos de almacenamiento de energía se muestran en la Figura Se puede observar en el gráfico de Ragone (Figura 4) que los capacitores electroquímicos se están convirtiendo en uno de los sistemas de almacenamiento de energía más deseables y son la opción preferida para la micro y opto-electrónica de la próxima generación debido a sus propiedades únicas, como alta densidad de potencia, no toxicidad en comparación con las baterías, alta capacitancia específica, carga y descarga rápida, larga estabilidad cíclica, excelente reversibilidad y alta densidad de energía en comparación con los capacitores electrostáticos convencionales [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17].
Capacitores utilizados en paneles solares
Un capacitor electroquímico es un dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica que consta de dos electrodos: el electrodo positivo y el electrodo negativo, separados por un electrolito acuoso y un separador que permite la transferencia de iones [2]. Según el mecanismo de almacenamiento de carga, los capacitores electroquímicos se dividen en dos categorías: los capacitores de doble capa electrostática (EDLC) basados en carbono y los pseudocapacitores basados en óxidos de metales de transición o polímeros conductores. Sin embargo, los pseudocapacitores son superiores a los EDLC por las siguientes razones, como se muestra en la Tabla 1 [18,19].
Historia y desarrollo de los capacitores electroquímicos
El primer capacitor electroquímico, es decir, el EDLC, fue inventado en 1879 por Helmholtz. Más tarde, fue utilizado prácticamente por Becker y obtuvo una patente en General Electric Corporation en 1957, donde se utilizó carbón activado como placas [9]. A pesar de tener excelentes propiedades eléctricas, los EDLC tienen una baja capacitancia específica. Por lo tanto, B.E. Conway desarrolló pseudocapacitores basados en RuO2 en 1975, los cuales tienen una alta capacitancia específica y una mayor eficiencia [20], [21], [22], [23]. Con el fin de mejorar el rendimiento electroquímico y la eficiencia del capacitor electroquímico, se ha prestado una creciente atención a los sistemas de almacenamiento de energía impulsados por energía solar, que cuentan con características de alteración de energía y almacenamiento de energía. La luz solar distribuye una enorme cantidad de fotones que pueden ser capturados por dispositivos fotovoltaicos como las células solares para convertir la energía solar en energía eléctrica, como se muestra en la Figura 5 [24], [25], [26], [27], [28], [29].
Por lo general, los dispositivos de captura de luz y los dispositivos de almacenamiento de energía funcionan por separado, lo que conduce al consumo de espacio y a múltiples interfaces, lo que reduce la eficiencia de almacenamiento en los capacitores electroquímicos. Para superar este problema, se ha llevado a cabo una investigación importante en el campo de los capacitores electroquímicos, en la cual se ha desarrollado la integración de ambos sistemas, el de captura de luz y el de almacenamiento de energía, en un solo dispositivo llamado capacitor electroquímico solar [24, [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]]. Estos dispositivos se consideran uno de los dispositivos prometedores para el sistema de almacenamiento de energía de la próxima generación debido a su consumo de recursos energéticos renovables. Además, los capacitores electroquímicos solares desempeñan un papel importante en la utilización de recursos energéticos como la energía solar de manera eficiente, lo que permite prescindir del uso de energías no renovables. Además, estos dispositivos tienen propiedades excelentes como la capacidad de ajustar las fluctuaciones solares, la capacidad de adaptarse y la flexibilidad, lo que puede satisfacer la demanda de la electrónica del futuro [43].
Desarrollo y rendimiento de los capacitores electroquímicos solares
Como se mencionó anteriormente, el capacitor electroquímico solar es un dispositivo fotoelectroquímico en el que se integran tanto el sistema de captura de luz como el sistema de almacenamiento de energía. Por lo tanto, bajo la iluminación, se produce el proceso de foto-carga y los electrones fotoexcitados se mueven desde la banda de valencia hacia la banda de conducción del material activo del electrodo. Estos electrones fotoexcitados de la banda de conducción se mueven hacia el electrodo y la interfaz del electrolito, mientras que los huecos fotoexcitados son atraídos por los iones cargados negativamente del electrolito y se dirigen hacia el electrodo contrario, y luego los electrones fotoexcitados se neutralizan mediante los protones del electrolito. De esta manera, las cargas se almacenan en el capacitor electroquímico. Durante el proceso de descarga, el foto-supercondensador se conecta al circuito externo. Los electrones fotoexcitados almacenados en la interfaz entre el electrodo y el electrolito se dirigen hacia el electrodo contrario y luego se mueven a través del circuito externo. Además, los protones también se difunden rápidamente desde la banda de valencia del material activo en el electrodo durante la descarga. Por lo tanto, el capacitor electroquímico solar se puede considerar como un dispositivo prometedor para el mercado de sistemas de almacenamiento de energía [44].
En esta revisión, hemos discutido el desarrollo y el rendimiento de los capacitores electroquímicos solares, así como los diferentes materiales activos que se pueden utilizar para obtener un excelente rendimiento fotoelectroquímico junto con una buena eficiencia. Los factores responsables del alto rendimiento fotoelectroquímico dependen del área superficial de los materiales activos utilizados en los electrodos, es decir, la relación entre la superficie y el volumen, el tamaño de los poros del material, la aplicación de voltaje y la naturaleza del electrolito. También se discuten los electrolitos utilizados durante los experimentos fotoelectroquímicos, ya que desempeñan un papel importante en la mejora de la capacitancia específica. Por último, se discuten los desafíos en el desarrollo de la arquitectura compleja y las múltiples interfaces del capacitor electroquímico solar, así como la mejora de la capacitancia específica y el mantenimiento de la estabilidad cíclica.