Supercondensadores: acumuladors d'energia del futur
2016/03/01 Oca, Laura - Energia Metatzeko Sistemen ikerketa-taldea, Mondragon Goi Eskola Politeknikoa, Mondragon Unibertsitatea | Barrena, Jon Andoni - Energia Metatzeko Sistemen ikerketa-taldea, Mondragon Goi Eskola Politeknikoa, Mondragon Unibertsitatea | Campillo Robles, Jose Miguel - Fisika SailaZientzia eta Teknologia Fakultatea (EHU) Iturria: Elhuyar aldizkaria
Tal com es va veure en el cim climàtic de París, ja gairebé ningú nega que es produeixi escalfament global. Això demostra que la preocupació pel medi ambient està creixent de manera constant en la nostra societat. Desgraciadament, l'explotació salvatge dels recursos naturals limitats del món continua. Segons els experts, en aquesta dècada superarem el pic del petroli si ja no l'hem superat. És a dir, en aquest moment l'extracció mundial de petroli es troba entorn del seu màxim [1], que a partir d'ara anirà disminuint. Per tant, si no volem un futur fosc per a les generacions esdevenidores, necessitem canviar el model energètic. Les fonts d'energia netes han de substituir als combustibles fòssils.
Així, en el futur, l'ús de l'electricitat augmentarà al marge dels combustibles fòssils. Aquest canvi tindrà avantatges no sols des del punt de vista ambiental sinó també de costos, seguretat i eficiència. Per tant, es produeixen canvis importants en el model energètic (producció-distribució). Desgraciadament hi ha un problema. Encara que la generació d'electricitat és relativament senzilla, no és tan fàcil emmagatzemar-la eficientment. La veritat és que en els últims anys, malgrat els avanços en bateries i altres acumuladors d'energia, no han estat suficients per a cobrir les necessitats que ens arriben. Necessitem nous acumuladors, més nets i de major potència.
Supercondensadores
En aquest context, cal destacar els supercondensadores utilitzats des de fa temps (“En llenguatge tècnic els supercondensadores en anglès es coneixen com Electrochemical Double Layer Capacitor, EDLC. No obstant això, en terminologia existeix una gran confusió, ja que es denominen ultracapacitors, electrochemical capacitors, boostcaps, goldcaps, etc.”) el desenvolupament experimentat en els últims anys. De fet, fins al moment els supercondensadores s'han utilitzat principalment en aplicacions de gran potència. No obstant això, altres aplicacions poden ser de gran interès pels seus avantatges tècnics [2]: alta densitat de potència, ràpids processos de càrrega i descàrrega, capacitat d'ús en un ampli rang de temperatures, vida laboral molt llarga i sense manteniment.
Els supercondensadores, igual que les bateries, acumulen i transfereixen càrrega en els processos d'emmagatzematge i alliberament d'energia. En el cas de les bateries es produeixen reaccions químiques en els processos de càrrega i descàrrega. Desgraciadament, els processos químics no són totalment reversibles i amb el temps les bateries es van degradant i escurçant la seva vida. Per contra, els processos de càrrega i descàrrega dels supercondensadores es deuen a un efecte físic. En la interfase electródo-electròlit apareixen dues distribucions de càrrega de signe contrari (veure figura 1), denominada doble capa (en anglès double layer). El científic alemany Hermann von Helmholtz va descriure per primera vegada en 1853 la capacitat de doble capa. Aquest efecte és reversible i es produeix molt més ràpid que les reaccions químiques. Per això, els supercondensadores es poden carregar i descarregar ràpidament. A més, no es degraden, per la qual cosa la seva vida laboral és molt llarga.
Desgraciadament, comparant amb les bateries, la densitat energètica dels supercondensadores és baixa. És a dir, acumulen menys càrrega per al mateix pes que l'acumulador (veure taula 1). De fet, l'acumulació d'energia en els supercondensadores és proporcional a la seva capacitat, la qual cosa és proporcional a la superfície dels elèctrodes [3]. Concretament, les càrregues s'afegeixen en superfície. Per això, a major superfície, major capacitat d'acumulació de càrregues. Per tant, per a augmentar la densitat energètica dels supercondensadores és necessari augmentar la superfície dels elèctrodes. A més, la superfície de la superfície dels elèctrodes limita també la capacitat de transport de corrent elèctric, limitant així la potència màxima que pot proporcionar el supercondensador. Per tant, l'augment de superfície té un altre avantatge, l'augment de potència.
Nanomaterials
En els últims anys s'estan utilitzant nanomaterials per a augmentar la densitat energètica dels supercondensadores. L'estructura microscòpica dels nanomaterials augmenta la superfície dels elèctrodes, la qual cosa permet als supercondensadores acumular més càrrega. S'ha utilitzat carbó actiu en els dos elèctrodes dels supercondensadores anteriors. El carbó actiu és un material amorf, molt porós. En el seu lloc, s'han començat a utilitzar nanomaterials [4] com nanotubos de carboni, elèctrodes basats en grafè, carbó procedent de carburs (en anglès Carbide-Derived Carbon, CDC), etc.
Els nanotubos de carboni estan formats per àtoms de carboni. Els àtoms de carboni formen hexàgons a causa de les seves relacions. Així, en els nanotubos de carboni murals, els hexàgons dels àtoms de carboni formen la superfície del tub i s'obtenen els tubs d'un nanòmetre de diàmetre. L'alineació vertical d'aquests nanotubos millora notablement les propietats físiques de l'elèctrode respecte al carbó actiu. Per exemple, s'aconsegueix augmentar la superfície dels elèctrodes.
El grafè té una estructura similar als nanotubos de carboni, però és una capa plana d'àtoms de carboni. En el grafè, els àtoms de carboni estan units en un pla com una xarxa de bresques. El principal problema de la utilització de nanotubos de carboni i grafè és el seu elevat preu degut a la complexitat de la seva fabricació.
Supercondensadores híbrids
Les necessitats de la societat fan que els investigadors busquin nous materials per als elèctrodes. Com hem vist, una de les opcions és utilitzar nanomaterials, però no és l'única. Es pot substituir un elèctrode de carbó actiu convencional per un elèctrode de les bateries. És a dir, s'ha començat a utilitzar un elèctrode convencional utilitzat en supercondensadores i un altre elèctrode utilitzat en bateries per a crear un nou acumulador. Aquest tipus d'acumuladors es denominen supercondensadores híbrids o supercondensadores asimètrics [5].
Els científics estan utilitzant diverses químiques per a crear l'elèctrode de les bateries de supercondensadores híbrids [6]. Amb elles s'ha aconseguit una major densitat energètica dels supercondensadores híbrids, la qual cosa permet construir acumuladors més petits. Entre les composicions químiques obtingudes fins avui destaquen el níquel hidròxid nanoporoso i el carbó actiu; el grafè mitjançant dibuix làser obtingut a partir de les capes de grafit (en anglès Laser-Scribing Graphene, LSG) i el diòxid de manganès; l'òxid nanoporoso de metall dopat a partir de la tecnologia del motlle de cristall líquid; i l'òxid de liti, material dopat. Aquesta última química és la més estesa en el mercat i és coneguda pels experts com l'ió liti condensador (LIC).
En els supercondensadores híbrids LIC, un dels elèctrodes és com un supercondensador convencional de carbó actiu. Aquest elèctrode és un càtode (elèctrode positiu) que captura i allibera els ions de l'electròlit en els processos de càrrega i descàrrega (veure figura 2). L'altre elèctrode és l'ànode (elèctrode negatiu), que és un elèctrode com una bateria d'ions de liti, format per carbó dur pre-dopat per liti. En aquest elèctrode s'absorbeixen i alliberen els ions de liti de l'electròlit en els processos de càrrega i descàrrega. L'ús de l'ànode litiado augmenta la densitat energètica augmentant la tensió de treball de l'acumulador. No obstant això, les característiques de càrrega i descàrrega de l'acumulador són similars a les d'un supercondensador convencional. No obstant això, la densitat energètica dels supercondensadores híbrids LIC és 5-7 vegades superior a la d'un supercondensador convencional. Aquesta és un gran avantatge ja que permet utilitzar acumuladors de menor grandària per a qualsevol ús.
D'altra banda, els supercondensadores LIC no presenten problemes en les bateries d'ió de liti. Per exemple, al no produir-se deposicions del metall liti en els processos de càrrega i descàrrega dels LICs, no es generen dendritas, per la qual cosa no existeix risc de creació de circuits curts. El supercondensador híbrid es comporta com un condensador convencional en els processos de càrrega i descàrrega. De fet, els ions de l'electròlit es mouen en el camp elèctric produït pels elèctrodes, ficant-los i extraient-los, sense que es produeixin reaccions redox en les bateries. Això queda patent en el comportament de la tensió del supercondensador. En els processos de càrrega i descàrrega d'una bateria la tensió varia molt poc, mentre que la tensió d'un supercondensador augmenta durant el procés de càrrega i disminueix durant la descàrrega. A més, els LICs poden contenir grans amperes i tensions sense perill. Això evitarà l'aplicació del liti metall en els elèctrodes. En els ràpids processos de càrrega i descàrrega de les bateries d'ió liti, el metall liti es col·loca a l'interior a causa de reaccions redox. Això pot provocar un escalfament desenfrenat i un augment de la tensió dins de la cel·la, podent produir-se en casos extrems incendis i explosions. Per tant, els supercondensadores eviten els riscos de les bateries de liti-ió.
Factor de forma i futur
La forma típica dels supercondensadores que hi ha en el mercat és cilíndrica (veure figura 3) o com una moneda (en anglès coin cell). Això pot ser un problema perquè, en definitiva, els supercondensadores d'aquesta forma no poden ser utilitzats en moltes aplicacions. Per això, els fabricants han començat a comercialitzar supercondensadores plans per a introduir-los lentament en les aplicacions que utilitzen les bateries. Són de tipus pouch o prismàtics. La forma i dimensions dels acumuladors d'energia són molt importants per al seu desplegament en les aplicacions, malgrat el seu petit impacte. Amb una forma plana petita es podran utilitzar nous supercondensadores en zones en les quals no es puguin utilitzar els supercondensadores actuals. A més, això té l'avantatge que les cel·les planes es poden fabricar en línies de producció de bateries, reduint així els costos de producció. Finalment, les cel·les planes es poden empaquetar millor, la qual cosa augmenta la densitat energètica i redueix els costos. Atès que els supercondensadores no s'escalfen més de prou, es poden empaquetar de forma molt més eficient que les bateries d'ió de liti. En definitiva, no necessiten refrigeració ni electrònica de gestió de bateries (Battery Management System, BMS).
D'altra banda, en un supercondensador, la major part del preu correspon als components, sent els elèctrodes els més cars entre ells. No obstant això, totes les innovacions que s'estan produint estan provocant que els supercondensadores s'estiguin usant cada vegada més. I, per descomptat, a mesura que augmenta la producció, els preus dels acumuladors disminueixen. Amb la baixada dels preus s'amplia notablement el seu àmbit d'ús fins a estendre's en àmbits fins ara impensables.
Finalment, si es millora la densitat energètica i la relació grandària/cost, l'opció d'aplicació d'aquests innovadors supercondensadores serà més àmplia que mai, facilitant el salt a una energia més neta. Els supercondensadores més petits poden alimentar petits aparells electrònics, així com dispositius de sobrecàrrega. Però l'objectiu d'aquest article no és parlar dels camps d'aplicació dels supercondensadores. Ho deixem per a un altre.
Referències
