Los supercapacitores son dispositivos electrónicos utilizados para almacenar cantidades extremadamente grandes de carga eléctrica. También se conocen como condensadores de doble capa o ultracapacitores. En lugar de utilizar un dieléctrico convencional, los supercapacitores utilizan dos mecanismos para almacenar energía eléctrica: capacitancia de doble capa y pseudocapacitancia. La capacitancia de doble capa es de origen electrostático, mientras que la pseudocapacitancia es electroquímica, lo que significa que los supercapacitores combinan el funcionamiento de los condensadores normales con el funcionamiento de una batería ordinaria. Las capacitancias alcanzadas utilizando esta tecnología pueden ser tan altas como 12000 F. En comparación, la auto-capacitancia de todo el planeta Tierra es solo de aproximadamente 710 µF, más de 15 millones de veces menos que la capacitancia de un supercapacitor. Si bien un condensador electrostático ordinario puede tener una alta tensión de funcionamiento máxima, la tensión de carga máxima típica de un supercapacitor se encuentra entre 5 y 7 voltios. Los supercapacitores son dispositivos polares, lo que significa que deben estar conectados al circuito de la manera correcta, al igual que los condensadores electrolíticos. Las propiedades eléctricas de estos dispositivos, especialmente sus tiempos de carga y descarga rápidos, son muy interesantes para algunas aplicaciones, donde los supercapacitores pueden reemplazar por completo a las baterías.
Definición de un supercapacitor
Un supercapacitor es un condensador especialmente diseñado que tiene una capacitancia muy grande. Los supercapacitores combinan las propiedades de los condensadores y las baterías en un solo dispositivo.
Características de los supercapacitores
Tiempo de carga
Los supercapacitores tienen tiempos de carga y descarga comparables a los de los condensadores ordinarios. Es posible lograr altas corrientes de carga y descarga debido a su baja resistencia interna. Las baterías suelen tardar varias horas en alcanzar un estado completamente cargado, como por ejemplo la batería de un teléfono celular, mientras que los supercapacitores pueden alcanzar el mismo estado de carga en menos de dos minutos.
Potencia específica
La potencia específica de una batería o supercapacitor es una medida utilizada para comparar diferentes tecnologías en términos de potencia máxima dividida por la masa total del dispositivo. Los supercapacitores tienen una potencia específica de 5 a 10 veces mayor que la de las baterías. Por ejemplo, mientras que las baterías de iones de litio tienen una potencia específica de 1-3 kW/kg, la potencia específica de un supercapacitor típico es de alrededor de 10 kW/kg. Esta propiedad es especialmente importante en aplicaciones que requieren ráfagas rápidas de energía liberada desde el dispositivo de almacenamiento.
Ciclo de vida y seguridad
Las baterías de supercapacitores son más seguras que las baterías ordinarias cuando se las trata de manera incorrecta. Mientras que las baterías pueden explotar debido al calentamiento excesivo cuando se cortocircuitan, los supercapacitores no se calientan tanto debido a su baja resistencia interna. Cortocircuitar un supercapacitor completamente cargado provocará una liberación rápida de la energía almacenada, lo que puede causar arcos eléctricos y dañar el dispositivo, pero a diferencia de las baterías, el calor generado no es una preocupación.
Los supercapacitores pueden cargarse y descargarse millones de veces y tienen una vida útil virtualmente ilimitada, mientras que las baterías solo tienen una vida útil de 500 veces o más. Esto hace que los supercapacitores sean muy útiles en aplicaciones donde se requiere un almacenamiento y liberación frecuente de energía.
Desventajas
Los supercapacitores también tienen algunas desventajas. Una desventaja 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 comúnmente utilizadas en teléfonos celulares tienen una energía específica de 100-200 Wh/kg, los supercapacitores pueden almacenar típicamente solo 5 Wh/kg. Esto significa que un supercapacitor que tiene la misma capacidad (no capacitancia) que una batería regular 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 una tensión de descarga lineal. Por ejemplo, una batería calificada a 7V, cuando tiene una carga del 50%, seguirá produciendo una tensión cercana a 7V, mientras que un supercapacitor calificado a 7V con una carga del 50% producirá exactamente la mitad de su tensión de carga máxima, es decir, 35V. Esto significa que la tensión de salida caería por debajo de la tensión de funcionamiento mínima del dispositivo que funciona con un supercapacitor, como por ejemplo un teléfono celular, y el dispositivo tendría que apagarse antes de utilizar toda la carga en el capacitor. Una solución a este problema es el uso de convertidores de CC-CC. Este enfoque introduce nuevas dificultades, como la eficiencia y el ruido de potencia.
El costo es la tercera desventaja principal de los supercapacitores disponibles actualmente. El costo por Wh de un supercapacitor es más de 20 veces más alto que el de las baterías de iones de litio. Sin embargo, el costo puede reducirse mediante nuevas tecnologías y la producción en masa de baterías de supercapacitores.
La baja energía específica, la tensión de descarga lineal y el alto costo son las principales razones que impiden que los supercapacitores reemplacen a las baterías en la mayoría de las aplicaciones.
Construcción y propiedades de los supercapacitores
La construcción de un supercapacitor es similar a la construcción de condensadores electrolíticos en el sentido de que constan de dos electrodos de lámina, un electrolito y un separador de lámina. El separador está intercalado entre los electrodos y la lámina se enrolla o se pliega en una forma, generalmente cilíndrica o rectangular. Esta forma plegada se coloca en una carcasa, impregnada de electrolito y sellada herméticamente. El electrolito utilizado en la construcción de supercapacitores, al igual que los electrodos, es diferente al utilizado en los condensadores electrolíticos ordinarios.
Para almacenar carga eléctrica, un supercapacitor utiliza materiales porosos como separadores para almacenar iones en esos poros a nivel atómico. El material más utilizado en los supercapacitores modernos es el carbón activado. El hecho de que el carbono no sea un buen aislante resulta en una tensión de funcionamiento máxima limitada a menos de 3 V. El carbón activado no es el material perfecto por otra razón: los portadores de carga son comparables en tamaño a los poros del material y algunos de ellos no pueden caber en los poros más pequeños, lo que resulta en una capacidad de almacenamiento reducida.
Uno de los materiales más emocionantes utilizados en la investigación de supercapacitores es el grafeno. El grafeno es una sustancia compuesta de carbono puro, dispuesta en una lámina plana de solo un átomo de espesor. Es extremadamente poroso, actuando como una esponja de iones. Las densidades de energía alcanzables utilizando grafeno en supercapacitores son comparables a las densidades de energía que se encuentran en las baterías. Sin embargo, aunque se han creado prototipos de supercapacitores de grafeno como prueba de concepto, el grafeno es difícil y costoso de producir en cantidades industriales, lo que retrasa el uso de esta tecnología. Aun así, los supercapacitores de grafeno son los candidatos más prometedores para futuros avances en la tecnología de supercapacitores.
Aplicaciones de los supercapacitores
Dado que los supercapacitores llenan el vacío entre las baterías y los condensadores, pueden utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones. Una aplicación interesante es el almacenamiento de energía en sistemas de frenado dinámico (Kinetic Energy Recovery System) en la industria automotriz. El problema principal en dichos sistemas es construir un dispositivo de almacenamiento de energía capaz de almacenar rápidamente grandes cantidades de energía. Un enfoque consiste en utilizar un generador eléctrico que convertirá la energía cinética en energía eléctrica y la almacenará en un supercapacitor. Esta energía puede utilizarse posteriormente para proporcionar energía para la aceleración.
Otro ejemplo son las aplicaciones de baja potencia donde una capacidad alta no es imperativa, pero un ciclo de vida alto o una recarga rápida es importante. Tales aplicaciones son el flash fotográfico, los reproductores de MP3, las memorias estáticas (SRAM) que necesitan una fuente de voltaje constante de baja potencia para retener información, entre otros.
Las posibles aplicaciones futuras de los supercapacitores son en teléfonos celulares, computadoras portátiles, automóviles eléctricos y todos los demás dispositivos que actualmente funcionan con baterías. La ventaja más emocionante desde una perspectiva práctica es su velocidad de recarga muy rápida, lo que significaría que conectar un automóvil eléctrico a un cargador durante unos minutos sería suficiente para cargar completamente la batería.
Los supercapacitores proporcionan almacenamiento en un factor de forma pequeño que dura de 2 a 4 veces más que las baterías, con una alta densidad de potencia y sin riesgo de sobrecalentamiento.
Las baterías y los supercapacitores son ejemplos de diferentes tecnologías de almacenamiento. Cuando observamos las baterías de iones de litio, vemos que dependen completamente de reacciones químicas. Tienen un electrodo positivo y uno negativo, denominados técnicamente ánodo y cátodo, respectivamente. Estos dos electrodos están separados por un separador microperforado y se colocan en un electrolito líquido antes de sumergirse. Los iones son las únicas partículas que pueden pasar a través del separador. Por lo tanto, los iones tienden a moverse de un lado a otro entre el ánodo y el cátodo de una batería mientras se carga y descarga. Durante este proceso de transferencia de iones, la batería se calentará, expandirá y finalmente se contraerá. Debido a estas reacciones, una batería perderá gradualmente su capacidad, lo que resultará en una vida útil más corta de la batería. Por otro lado, las baterías poseen una energía específica muy alta o densidad de energía, lo que les permite almacenar energía para su uso en un momento posterior y es una de sus ventajas más significativas.
Por otro lado, los supercapacitores no son como las baterías regulares porque su funcionamiento no depende de reacciones químicas. En cambio, son capaces de almacenar energía dentro de ellos mediante medios electrostáticos. Las cargas negativas y positivas están separadas por un aislante o dieléctrico intercalado entre las placas del electrodo del supercapacitor. Debido a esta separación, el dispositivo es capaz de almacenar energía y luego liberarla de manera muy oportuna. Lo hace almacenando la electricidad estática generada para su uso posterior. El beneficio más significativo es que un condensador puede mantener la misma clasificación de voltaje durante más de 20 años. Por otro lado, la capacidad de voltaje de una batería puede degradarse con el tiempo y con el uso continuo. Esto puede suceder tanto cuando la batería no está en uso como cuando lo está.
En contraste con una batería, los supercapacitores tienen una mayor capacidad de potencia, lo que indica que pueden cargarse y descargarse en un tiempo mucho más corto. A pesar de esto, su energía específica es relativamente baja en comparación con las baterías. Por lo tanto, el uso más efectivo de los supercapacitores es proporcionar ráfagas muy breves de energía.
| Tabla Características de los supercapacitores en comparación con las baterías. | ||
|---|---|---|
| Característica | Supercapacitores | Baterías |
| Tiempo de carga | Carga y descarga rápidas | Carga lenta |
| Capacidad de energía específica | Relativamente baja | Alta |
| Capacidad de potencia específica | Alta | Baja |
Los supercapacitores son dispositivos electrónicos que ofrecen una alternativa interesante a las baterías convencionales en términos de carga y descarga rápidas, alta capacidad de potencia y ciclo de vida ilimitado. Aunque tienen algunas limitaciones en términos de energía específica y costo, los supercapacitores son una opción prometedora para el almacenamiento de energía, especialmente en aplicaciones que requieren ráfagas rápidas de energía y una larga vida útil del dispositivo.