Supercondensadores: acumuladores de energía del futuro
Energia Metatzeko Sistemen ikerketa-taldea, Mondragon Goi Eskola Politeknikoa, Mondragon Unibertsitatea
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Tal y como se vio en la cumbre climática de París, ya casi nadie niega que se produzca calentamiento global. Esto demuestra que la preocupación por el medio ambiente está creciendo de forma constante en nuestra sociedad. Desgraciadamente, la explotación salvaje de los recursos naturales limitados del mundo continúa. Según los expertos, en esta década superaremos el pico del petróleo si ya no lo hemos superado. Es decir, en este momento la extracción mundial de petróleo se encuentra en torno a su máximo [1], que a partir de ahora irá disminuyendo. Por tanto, si no queremos un futuro oscuro para las generaciones venideras, necesitamos cambiar el modelo energético. Las fuentes de energía limpias deben sustituir a los combustibles fósiles.
Así, en el futuro, el uso de la electricidad aumentará al margen de los combustibles fósiles. Este cambio tendrá ventajas no sólo desde el punto de vista ambiental sino también de costes, seguridad y eficiencia. Por tanto, se producen cambios importantes en el modelo energético (producción-distribución). Desgraciadamente hay un problema. Aunque la generación de electricidad es relativamente sencilla, no es tan fácil almacenarla eficientemente. La verdad es que en los últimos años, a pesar de los avances en baterías y otros acumuladores de energía, no han sido suficientes para cubrir las necesidades que nos llegan. Necesitamos nuevos acumuladores, más limpios y de mayor potencia.
Supercondensadores
En este contexto, cabe destacar los supercondensadores utilizados desde hace tiempo (“En lenguaje técnico los supercondensadores en inglés se conocen como Electrochemical Double Layer Capacitor, EDLC. Sin embargo, en terminología existe una gran confusión, ya que se denominan ultracapacitors, electrochemical capacitors, boostcaps, goldcaps, etc.”) el desarrollo experimentado en los últimos años. De hecho, hasta el momento los supercondensadores se han utilizado principalmente en aplicaciones de gran potencia. Sin embargo, otras aplicaciones pueden ser de gran interés por sus ventajas técnicas [2]: alta densidad de potencia, rápidos procesos de carga y descarga, capacidad de uso en un amplio rango de temperaturas, vida laboral muy larga y sin mantenimiento.
Los supercondensadores, al igual que las baterías, acumulan y transfieren carga en los procesos de almacenamiento y liberación de energía. En el caso de las baterías se producen reacciones químicas en los procesos de carga y descarga. Desgraciadamente, los procesos químicos no son totalmente reversibles y con el tiempo las baterías se van degradando y acortando su vida. Por el contrario, los procesos de carga y descarga de los supercondensadores se deben a un efecto físico. En la interfase electródo-electrolito aparecen dos distribuciones de carga de signo contrario (ver figura 1), denominada doble capa (en inglés double layer). El científico alemán Hermann von Helmholtz describió por primera vez en 1853 la capacidad de doble capa. Este efecto es reversible y se produce mucho más rápido que las reacciones químicas. Por ello, los supercondensadores se pueden cargar y descargar rápidamente. Además, no se degradan, por lo que su vida laboral es muy larga.
Desgraciadamente, comparando con las baterías, la densidad energética de los supercondensadores es baja. Es decir, acumulan menos carga para el mismo peso que el acumulador (ver tabla 1). De hecho, la acumulación de energía en los supercondensadores es proporcional a su capacidad, lo que es proporcional a la superficie de los electrodos [3]. Concretamente, las cargas se añaden en superficie. Por ello, a mayor superficie, mayor capacidad de acumulación de cargas. Por tanto, para aumentar la densidad energética de los supercondensadores es necesario aumentar la superficie de los electrodos. Además, la superficie de la superficie de los electrodos limita también la capacidad de transporte de corriente eléctrica, limitando así la potencia máxima que puede proporcionar el supercondensador. Por tanto, el aumento de superficie tiene otra ventaja, el aumento de potencia.
Nanomateriales
En los últimos años se están utilizando nanomateriales para aumentar la densidad energética de los supercondensadores. La estructura microscópica de los nanomateriales aumenta la superficie de los electrodos, lo que permite a los supercondensadores acumular más carga. Se ha utilizado carbón activo en los dos electrodos de los supercondensadores anteriores. El carbón activo es un material amorfo, muy poroso. En su lugar, se han empezado a utilizar nanomateriales [4] como nanotubos de carbono, electrodos basados en grafeno, carbón procedente de carburos (en inglés Carbide-Derived Carbon, CDC), etc.
Los nanotubos de carbono están formados por átomos de carbono. Los átomos de carbono forman hexágonos debido a sus relaciones. Así, en los nanotubos de carbono murales, los hexágonos de los átomos de carbono forman la superficie del tubo y se obtienen los tubos de un nanómetro de diámetro. La alineación vertical de estos nanotubos mejora notablemente las propiedades físicas del electrodo respecto al carbón activo. Por ejemplo, se consigue aumentar la superficie de los electrodos.
El grafeno tiene una estructura similar a los nanotubos de carbono, pero es una capa plana de átomos de carbono. En el grafeno, los átomos de carbono están unidos en un plano como una red de panales. El principal problema de la utilización de nanotubos de carbono y grafeno es su elevado precio debido a la complejidad de su fabricación.
Supercondensadores híbridos
Las necesidades de la sociedad hacen que los investigadores busquen nuevos materiales para los electrodos. Como hemos visto, una de las opciones es utilizar nanomateriales, pero no es la única. Se puede sustituir un electrodo de carbón activo convencional por un electrodo de las baterías. Es decir, se ha empezado a utilizar un electrodo convencional utilizado en supercondensadores y otro electrodo utilizado en baterías para crear un nuevo acumulador. Este tipo de acumuladores se denominan supercondensadores híbridos o supercondensadores asimétricos [5].
Los científicos están utilizando diversas químicas para crear el electrodo de las baterías de supercondensadores híbridos [6]. Con ellas se ha conseguido una mayor densidad energética de los supercondensadores híbridos, lo que permite construir acumuladores más pequeños. Entre las composiciones químicas obtenidas hasta la fecha destacan el níquel hidróxido nanoporoso y el carbón activo; el grafeno mediante dibujo láser obtenido a partir de las capas de grafito (en inglés Laser-Scribing Graphene, LSG) y el dióxido de manganeso; el óxido nanoporoso de metal dopado a partir de la tecnología del molde de cristal líquido; y el óxido de litio, material dopado. Esta última química es la más extendida en el mercado y es conocida por los expertos como el ion litio condensador (LIC).
En los supercondensadores híbridos LIC, uno de los electrodos es como un supercondensador convencional de carbón activo. Este electrodo es un cátodo (electrodo positivo) que captura y libera los iones del electrolito en los procesos de carga y descarga (ver figura 2). El otro electrodo es el ánodo (electrodo negativo), que es un electrodo como una batería de iones de litio, formado por carbón duro pre-dopado por litio. En este electrodo se absorben y liberan los iones de litio del electrolito en los procesos de carga y descarga. El uso del ánodo litiado aumenta la densidad energética aumentando la tensión de trabajo del acumulador. Sin embargo, las características de carga y descarga del acumulador son similares a las de un supercondensador convencional. Sin embargo, la densidad energética de los supercondensadores híbridos LIC es 5-7 veces superior a la de un supercondensador convencional. Esta es una gran ventaja ya que permite utilizar acumuladores de menor tamaño para cualquier uso.
Por otra parte, los supercondensadores LIC no presentan problemas en las baterías de ion de litio. Por ejemplo, al no producirse deposiciones del metal litio en los procesos de carga y descarga de los LICs, no se generan dendritas, por lo que no existe riesgo de creación de circuitos cortos. El supercondensador híbrido se comporta como un condensador convencional en los procesos de carga y descarga. De hecho, los iones del electrolito se mueven en el campo eléctrico producido por los electrodos, metiéndolos y extrayéndolos, sin que se produzcan reacciones redox en las baterías. Esto queda patente en el comportamiento de la tensión del supercondensador. En los procesos de carga y descarga de una batería la tensión varía muy poco, mientras que la tensión de un supercondensador aumenta durante el proceso de carga y disminuye durante la descarga. Además, los LICs pueden contener grandes amperios y tensiones sin peligro. Esto evitará la aplicación del litio metal en los electrodos. En los rápidos procesos de carga y descarga de las baterías de ion litio, el metal litio se coloca en el interior debido a reacciones redox. Esto puede provocar un calentamiento desenfrenado y un aumento de la tensión dentro de la celda, pudiendo producirse en casos extremos incendios y explosiones. Por tanto, los supercondensadores evitan los riesgos de las baterías de litio-ion.
Factor de forma y futuro
La forma típica de los supercondensadores que hay en el mercado es cilíndrica (ver figura 3) o como una moneda (en inglés coin cell). Esto puede ser un problema porque, en definitiva, los supercondensadores de esta forma no pueden ser utilizados en muchas aplicaciones. Por ello, los fabricantes han comenzado a comercializar supercondensadores planos para introducirlos lentamente en las aplicaciones que utilizan las baterías. Son de tipo pouch o prismáticos. La forma y dimensiones de los acumuladores de energía son muy importantes para su despliegue en las aplicaciones, a pesar de su pequeño impacto. Con una forma plana pequeña se podrán utilizar nuevos supercondensadores en zonas en las que no se puedan utilizar los supercondensadores actuales. Además, esto tiene la ventaja de que las celdas planas se pueden fabricar en líneas de producción de baterías, reduciendo así los costes de producción. Finalmente, las celdas planas se pueden empaquetar mejor, lo que aumenta la densidad energética y reduce los costes. Dado que los supercondensadores no se calientan más de lo suficiente, se pueden empaquetar de forma mucho más eficiente que las baterías de ion de litio. En definitiva, no necesitan refrigeración ni electrónica de gestión de baterías (Battery Management System, BMS).
Por otro lado, en un supercondensador, la mayor parte del precio corresponde a los componentes, siendo los electrodos los más caros entre ellos. Sin embargo, todas las innovaciones que se están produciendo están provocando que los supercondensadores se estén usando cada vez más. Y, por supuesto, a medida que aumenta la producción, los precios de los acumuladores disminuyen. Con la bajada de los precios se amplía notablemente su ámbito de uso hasta extenderse en ámbitos hasta ahora impensables.
Por último, si se mejora la densidad energética y la relación tamaño/coste, la opción de aplicación de estos innovadores supercondensadores será más amplia que nunca, facilitando el salto a una energía más limpia. Los supercondensadores más pequeños pueden alimentar pequeños aparatos electrónicos, así como dispositivos de sobrecarga. Pero el objetivo de este artículo no es hablar de los campos de aplicación de los supercondensadores. Lo dejamos para otro.
Referencias
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
