Supercondensadores: acumuladores de enerxía do futuro
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 e como se viu no cume climático de París, xa case ninguén nega que se produza quecemento global. Isto demostra que a preocupación polo medio ambiente está a crecer de forma constante na nosa sociedade. Desgraciadamente, a explotación salvaxe dos recursos naturais limitados do mundo continúa. Segundo os expertos, nesta década superaremos o pico do petróleo se xa non o superamos. É dicir, neste momento a extracción mundial de petróleo atópase ao redor do seu máximo [1], que a partir de agora irá diminuíndo. Por tanto, si non queremos un futuro escuro paira as xeracións vindeiras, necesitamos cambiar o modelo enerxético. As fontes de enerxía limpas deben substituír aos combustibles fósiles.
Así, no futuro, o uso da electricidade aumentará á marxe dos combustibles fósiles. Este cambio terá vantaxes non só desde o punto de vista ambiental senón tamén de custos, seguridade e eficiencia. Por tanto, prodúcense cambios importantes no modelo enerxético (produción-distribución). Desgraciadamente hai un problema. Aínda que a xeración de electricidade é relativamente sinxela, non é tan fácil almacenala eficientemente. A verdade é que nos últimos anos, a pesar dos avances en baterías e outros acumuladores de enerxía, non foron suficientes paira cubrir as necesidades que nos chegan. Necesitamos novos acumuladores, máis limpos e de maior potencia.
Supercondensadores
Neste contexto, cabe destacar os supercondensadores utilizados desde hai tempo (“En linguaxe técnica os supercondensadores en inglés coñécense como Electrochemical Double Layer Capacitor, EDLC. Con todo, en terminología existe una gran confusión, xa que se denominan ultracapacitors, electrochemical capacitors, boostcaps, goldcaps, etc.”) o desenvolvemento experimentado nos últimos anos. De feito, até o momento os supercondensadores utilizáronse principalmente en aplicacións de gran potencia. Con todo, outras aplicacións poden ser de gran interese polas súas vantaxes técnicas [2]: alta densidade de potencia, rápidos procesos de carga e descarga, capacidade de uso nun amplo rango de temperaturas, vida laboral moi longa e sen mantemento.
Os supercondensadores, do mesmo xeito que as baterías, acumulan e transfiren carga nos procesos de almacenamento e liberación de enerxía. No caso das baterías prodúcense reaccións químicas nos procesos de carga e descarga. Desgraciadamente, os procesos químicos non son totalmente reversibles e co tempo as baterías vanse degradando e acurtando a súa vida. Pola contra, os procesos de carga e descarga dos supercondensadores débense a un efecto físico. Na interfase electródo-electrolito aparecen dúas distribucións de carga de signo contrario (ver figura 1), denominada dobre capa (en inglés double layer). O científico alemán Hermann von Helmholtz describiu por primeira vez en 1853 a capacidade de dobre capa. Este efecto é reversible e prodúcese moito máis rápido que as reaccións químicas. Por iso, os supercondensadores pódense cargar e descargar rapidamente. Ademais, non se degradan, polo que a súa vida laboral é moi longa.
Desgraciadamente, comparando coas baterías, a densidade enerxética dos supercondensadores é baixa. É dicir, acumulan menos carga paira o mesmo peso que o acumulador (ver táboa 1). De feito, a acumulación de enerxía nos supercondensadores é proporcional á súa capacidade, o que é proporcional á superficie dos electrodos [3]. Concretamente, as cargas engádense en superficie. Por iso, a maior superficie, maior capacidade de acumulación de cargas. Por tanto, paira aumentar a densidade enerxética dos supercondensadores é necesario aumentar a superficie dos electrodos. Ademais, a superficie da superficie dos electrodos limita tamén a capacidade de transporte de corrente eléctrica, limitando así a potencia máxima que pode proporcionar o supercondensador. Por tanto, o aumento de superficie ten outra vantaxe, o aumento de potencia.
Nanomateriales
Nos últimos anos están a utilizarse nanomateriales paira aumentar a densidade enerxética dos supercondensadores. A estrutura microscópica dos nanomateriales aumenta a superficie dos electrodos, o que permite aos supercondensadores acumular máis carga. Utilizouse carbón activo nos dous electrodos dos supercondensadores anteriores. O carbón activo é un material amorfo, moi poroso. No seu lugar, empezáronse a utilizar nanomateriales [4] como nanotubos de carbono, electrodos baseados en grafeno, carbón procedente de carburos (en inglés Carbide-Derived Carbon, CDC), etc.
Os nanotubos de carbono están formados por átomos de carbono. Os átomos de carbono forman hexágonos debido ás súas relacións. Así, nos nanotubos de carbono murais, os hexágonos dos átomos de carbono forman a superficie do tubo e obtéñense os tubos dun nanómetro de diámetro. A aliñación vertical destes nanotubos mellora notablemente as propiedades físicas do electrodo respecto ao carbón activo. Por exemplo, conséguese aumentar a superficie dos electrodos.
O grafeno ten una estrutura similar aos nanotubos de carbono, pero é una capa plana de átomos de carbono. No grafeno, os átomos de carbono están unidos nun plano como una rede de panales. O principal problema da utilización de nanotubos de carbono e grafeno é o seu elevado prezo debido á complexidade da súa fabricación.
Supercondensadores híbridos
As necesidades da sociedade fan que os investigadores busquen novos materiais paira os electrodos. Como vimos, una das opcións é utilizar nanomateriales, pero non é a única. Pódese substituír un electrodo de carbón activo convencional por un electrodo das baterías. É dicir, empezouse a utilizar un electrodo convencional utilizado en supercondensadores e outro electrodo utilizado en baterías paira crear un novo acumulador. Este tipo de acumuladores denomínanse supercondensadores híbridos ou supercondensadores asimétricos [5].
Os científicos están a utilizar diversas químicas paira crear o electrodo das baterías de supercondensadores híbridos [6]. Con elas conseguiuse una maior densidade enerxética dos supercondensadores híbridos, o que permite construír acumuladores máis pequenos. Entre as composicións químicas obtidas até a data destacan o níquel hidróxido nanoporoso e o carbón activo; o grafeno mediante debuxo láser obtido a partir das capas de grafito (en inglés Laser-Scribing Graphene, LSG) e o dióxido de manganeso; o óxido nanoporoso de metal dopado a partir da tecnoloxía do molde de cristal líquido; e o óxido de litio, material dopado. Esta última química é a máis estendida no mercado e é coñecida polos expertos como o ion litio condensador (LIC).
Nos supercondensadores híbridos LIC, uno dos electrodos é como un supercondensador convencional de carbón activo. Este electrodo é un cátodo (electrodo positivo) que captura e libera os iones do electrolito nos procesos de carga e descarga (ver figura 2). O outro electrodo é o ánodo (electrodo negativo), que é un electrodo como una batería de iones de litio, formado por carbón duro pre-dopado por litio. En leste electrodo absórbense e liberan os iones de litio do electrolito nos procesos de carga e descarga. O uso do ánodo litiado aumenta a densidade enerxética aumentando a tensión de traballo do acumulador. Con todo, as características de carga e descarga do acumulador son similares ás dun supercondensador convencional. Con todo, a densidade enerxética dos supercondensadores híbridos LIC é 5-7 veces superior á dun supercondensador convencional. Esta é una gran vantaxe xa que permite utilizar acumuladores de menor tamaño paira calquera uso.
Por outra banda, os supercondensadores LIC non presentan problemas nas baterías de ion de litio. Por exemplo, ao non producirse deposiciones do metal litio nos procesos de carga e descarga dos LICs, non se xeran dendritas, polo que non existe risco de creación de circuítos curtos. O supercondensador híbrido compórtase como un condensador convencional nos procesos de carga e descarga. De feito, os iones do electrolito móvense no campo eléctrico producido polos electrodos, meténdoos e extraéndoos, sen que se produzan reaccións redox nas baterías. Isto queda patente no comportamento da tensión do supercondensador. Nos procesos de carga e descarga dunha batería a tensión varía moi pouco, mentres que a tensión dun supercondensador aumenta durante o proceso de carga e diminúe durante a descarga. Ademais, os LICs poden conter grandes amperios e tensións sen perigo. Isto evitará a aplicación do litio metal nos electrodos. Nos rápidos procesos de carga e descarga das baterías de ion litio, o metal litio colócase no interior debido a reaccións redox. Isto pode provocar un quecemento desenfreado e un aumento da tensión dentro da cela, podendo producirse en casos extremos incendios e explosións. Por tanto, os supercondensadores evitan os riscos das baterías de litio-ion.
Factor de forma e futuro
A forma típica dos supercondensadores que hai no mercado é cilíndrica (ver figura 3) ou como una moeda (en inglés coin cell). Isto pode ser un problema porque, en definitiva, os supercondensadores desta forma non poden ser utilizados en moitas aplicacións. Por iso, os fabricantes comezaron a comercializar supercondensadores planos paira introducilos lentamente nas aplicacións que utilizan as baterías. Son de tipo pouch ou prismáticos. A forma e dimensións dos acumuladores de enerxía son moi importantes paira o seu despregamento nas aplicacións, a pesar do seu pequeno impacto. Cunha forma plana pequena poderanse utilizar novos supercondensadores en zonas nas que non se poidan utilizar os supercondensadores actuais. Ademais, isto ten a vantaxe de que as celas planas pódense fabricar en liñas de produción de baterías, reducindo así os custos de produción. Finalmente, as celas planas pódense empaquetar mellor, o que aumenta a densidade enerxética e reduce os custos. Dado que os supercondensadores non se quentan máis do suficiente, pódense empaquetar de forma moito máis eficiente que as baterías de ion de litio. En definitiva, non necesitan refrixeración nin electrónica de xestión de baterías (Battery Management System, BMS).
Doutra banda, nun supercondensador, a maior parte do prezo corresponde aos compoñentes, sendo os electrodos os máis caros entre eles. Con todo, todas as innovacións que se están producindo están a provocar que os supercondensadores estean a usarse cada vez máis. E, por suposto, a medida que aumenta a produción, os prezos dos acumuladores diminúen. Coa baixada dos prezos amplíase notablemente o seu ámbito de uso até estenderse en ámbitos até agora impensables.
Por último, se se mellora a densidade enerxética e a relación tamaño/custo, a opción de aplicación destes innovadores supercondensadores será máis ampla que nunca, facilitando o salto a unha enerxía máis limpa. Os supercondensadores máis pequenos poden alimentar pequenos aparellos electrónicos, así como dispositivos de sobrecarga. Pero o obxectivo deste artigo non é falar dos campos de aplicación dos supercondensadores. Deixámolo paira outro.
Referencias
