miniaturadeimagen|Supercondensador de Skeleton Technologies Los supercondensadores, también conocidos como condensadores electroquímicos de doble capa, pseudocondensadores, ultracondensadores o simplemente EDLC por sus siglas en inglés, son dispositivos electroquímicos capaces de sustentar una densidad de energía inusualmente alta en comparación con los condensadores normales, presentando una capacidad miles de veces mayor que la de los condensadores electrolíticos de alta capacidad.
Mientras que un típico condensador electrolítico D-Cell tiene una capacidad de decenas de miliFaradios (mF), la de un EDLC del mismo tamaño será de varios faradios, o sea alrededor de dos o tres órdenes de magnitud mayor, pero generalmente con una menor tensión de trabajo. Los EDLC comerciales de mayor tamaño cuentan con capacidades tan elevadas como 5000F, alcanzando densidades de energía de hasta 30Wh/kg (unas 500 veces menos que la gasolina).
Historia El primer supercondensador fue patentado por el ingeniero eléctrico H. E. Becker para la General Electric en 1957, y se basaba en el principio de aumento del área de las placas sustituyendo la interfaz cerámica o polimérica entre las placas por un material poroso de carbono en una disolución electrolítica, produciendo un aumento en el área de las placas y por tanto en la capacidad.
El primer supercondensador comercial lo fabricó Standard Oil of Ohio (SOHIO) en 1969, con una interfaz de carbono y solución electrolítica de sal de tetralquilamonio. A pesar de los grandes problemas derivados de la enorme resistencia interna de los primeros supercondensadores, en los siguientes veinte años fueron utilizados para el desarrollo de los primeros magnetoscopios, respaldos de memoria para computadoras y cámaras de alta tecnología; usando para ello interfaces de carbono con placas de aluminio en plasma. A final de los ochenta, se desarrolló el primer supercondensador de un faradio, y compañías rusas a principios de los noventa presentaron el primer supercondensador que superaba los cien faradios.
El primer éxito para obtener supercondensadores rentables fue el uso de dióxido de rutenio por Conway y sus colaboradores en 1991, ya que fue el primer supercondensador que presentó una baja resistencia interna. Estos dispositivos generaron un gran interés debido a su aplicación a automóviles híbridos, por lo que se impulsó su investigación en todo el mundo. Una de las más importantes fue la iniciada en 1998 por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y que aún sigue vigente.Zhou C (2006) Carbon nanotube based electrochemical supercondensadors. Georgia : Georgia Institute of Techonology (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de ProQuest)Dinh – Nguyen B (2003) Performance of supercondensadors as energy storage alternatives. Long Beach: California State University Long Beach (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de ProQuest) Actualmente los supercondensadores comerciales son de base carbono con un electrolito de metal alcalino o alcalinotérreo. Los principales productores son Panasonic y Maxwell Tecnologies. Donde se ocupan más actualmente son para diseño de sistemas de potencia para la estabilización de voltaje, por lo que encontramos supercondensadores de 1500 y 3000 faradios, con un peso que va del kilo y medio a los tres kilogramos.Barrero R, Tackoen X, Van Mierlo J (2008) Improving energy in public transport: stationary supercondensador based energy storage systems for a metro network. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), Septiembre 3-5, 2008, Harbin, China (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de IEEExplore) Continúa la investigación en autos híbridos y su uso en sistemas de energía solar y energía eólica.
Principio de pseudocapacitancia Los estudios en supercapacitancia llevaron a proponer un nuevo modelo de almacenaje de energía eléctrica: la pseudocapacidad o pseudocapacitancia. En la capacitancia clásica el almacenamiento de energía está asociado a la acumulación de carga eléctrica entre las láminas del condensador gracias al medio aislante. Pero se descubrió que la acumulación de carga en los supercondensadores, principalmente en los de carbono con disolución electrolítica de un metal, era en cambio producida por la deficiencia electrónica producto de la interacción de los iones metálicos con el medio de carbono.
La pseudocapacitancia es un fenómeno dependiente de la tensión, con lo que por lo tanto se posee una capacitancia variable que debe ser modelada adecuadamente. Sin embargo, los rangos de tensión en que son utilizados los supercondensadores permiten su manejo como un condensador convencional con un valor alto de capacitancia y una serie de resistencias e inductores.Faranda R, Gallina M, Son DT (2007) A New Simplified model of Double Layer Condensadors. Milán: Dipartimento di Elettrotecnica, Politecnico di Milano (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de IEEExplore)Cultura II AB, Salameh ZM (2008) Performance Evaluation of a Supercondensador Module for Energy Storage Applications. (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de IEEExplore) Además, se aumenta la capacitancia con una delgada capa de material aislante entre las caras de carbono.
De acuerdo con este modelo teórico, uno de los principales aspectos a estudiar en el fenómeno de supercapacitancia es la concentración del electrolito y la naturaleza de los electrodos (denominación común de las barras conductoras) así como la naturaleza de la capa de aislante. Zhang indica que los electrolitos recomendados para la construcción de supercondensadores son los hidróxidos de sodio e hidróxido de potasio, y afirma que hay un aumento de la capacidad hasta un punto crítico en 2 y 10 molar respectivamente; sin embargo, el aumento de la concentración trae consigo un aumento constante de la resistencia interna del dispositivo.Zhang D, Luo M, Li J, He J (2005) Surveying Into Some Aspects of Internal Resistance of Super Condensador (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de IEEExplore) Por otro lado la presencia de las entrecaras de carbono incrementa la capacitancia únicamente si la porosidad promedio del medio es máxima, por lo que los diseños de nanotubos y nanoespumas son fundamentales para el desarrollo de supercondensadores. Por último Obreja indica que la capa ideal debe oscilar entre los 50 y los 200 micrómetros.Obreja VVN, Iordache I, Petroi D et al (2006) On the Technology of Present-Day Manufactured Supercondensadors 2006 Electronics System integration Techonology Conference Dresden: Alemania (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de IEEExplore)
Clasificación y elaboración de supercondensadores miniaturadeimagen|Carbón activado, Pólvora negra, Imágenes microscópicas de campo brillante, Supercondensadores Los supercondensadores actualmente se clasifican de acuerdo con los materiales de los que se encuentran elaborados. Actualmente se distinguen de acuerdo con Zhou y Dinh–Nguyen principalmente cuatro tipos:
1. Supercondensadores electrolíticos de entrecaras de carbono de doble capa Los principales son los que utilizan hidróxido de sodio y potasio o ácido sulfúrico. En ellos la disolución se disocia en iones positivos de sodio o potasio, que ante la presencia de voltaje por aumento de la atracción entre cargas se acumula una mayor energía eléctrica.
2. Supercondensadores no electrolíticos de entrecaras de carbono de doble capa Los principales son los que son elaborados como aerogeles, soles, los de nanotubos de carbono y carbón activado. Los soles son dispersiones de partículas sólidas en líquido que se encuentran indefinidamente en movimiento browniano. En cambio un gel es un sólido que posee una gran cantidad de líquido y una estructura que permite que se encuentren ambas fases combinadas. Para la formación de soles para condensadores se forma el óxido de metal elegido en agua, sea a altas temperaturas o con un exceso de base para formar el sol. Posteriormente el sol es gelado por deshidratación o aumento de pH. También se pueden formar soles orgánicos con resorcinol en formaldehído. El resultado de los procesos es la formación de un material homogéneo muy poroso que permite una alta capacitancia. Si el sol es combinado con la interfaz de carbono se calcula que puede alcanzarse una capacitancia de 400 faradios por gramo.Lin C (1998) Sol gel derived electrode materials for supercondensador application. University of South Carolina. (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de ProQuest)
3. Supercondensadores acuosos de óxido de doble capa con pseudocapacitancia redox Los principales son los de óxido de litio, dióxido de rutenio, dióxido de iridio, óxido de cobalto(II) y dióxido de manganeso. Los supercondensadores pueden fabricarse siguiendo la metodología de la sección anterior para elaborar un sol. Otra forma de obtenerlo es por la deposición de un óxido metálico por medio de un procedimiento de electrólisis. Se han hecho investigaciones donde se han alcanzado capacitancias de 400F/g con óxido de rutenio(III).Lin Y, Hwang HS, LeeWJ Effect of Surface Treatment of Graphite Particles on the Composite Supercondensador of Hydrous Ruthenium Oxides Coatings by Cathodic Deposition Method. Microsc Microanal 2006; 12 (2): 1066 – 7 Supercondensadores más rentables de alrededor de 50F/g se han logrado con óxido de níquel. Una forma alternativa para generar la estructura porosa es la adición de óxido de litio a un metal como el platino; a este material se le agrega ácido para retirar el litio y mantener la estructura porosa de escala nanométrica.Hu YS et al Electrochemical lithiation synthesis of nanoporous materials with superior catalytic and capacitive activity. Nature Materials 2006; 5: 713 – 7
4. Supercondensadores de polímeros conductores Se define como polímero conductor como una sustancia orgánica que conduce la electricidad de manera parecida a la de un metal, buena reversibilidad entre estado conductor y no conductor y flexibilidad mecánica. Los principales son los de politiofeno, polipirrol y polianilina. Tienen una densidad de energía mayor a 500 Watts por kilogramo, y aún se estudian sus propiedades de capacitancia.Herbert JJ (2000) Electrochemistry and structure of the conducting polymer Poli 3 – (4 Fluorophenil) Tiophene used in electrochemical supercondensadors Los Ángeles: University of California (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de ProQuest)
Aplicaciones de los supercondensadores
La investigación en supercondensadores se encuentra motivada por las enormes ventajas que su uso representa para el desarrollo de circuitos eléctricos:Wei T, Wang S, Qi Z A (2007) Supercondensador Based Ride-Through System for Industrial Drive Applications. Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de IEEExplore)
Gran período de operación Capacidad de manejar altos valores de corriente Valor de carga fácil de monitorear Alta eficiencia Gran rango de tensión Gran rango de temperatura Ciclos de funcionamiento largos Facilidad de mantenimiento La vida útil de un supercondensador disminuye conforme aumenta su capacitancia, pero actualmente contamos con dispositivos que superan una vida útil de veinte años con pérdidas en la tensión suministrado de alrededor de un voltio. Debido a estas propiedades de vida útil y manejo de tensión y corriente los supercondensadores han sido utilizados en diversas aplicaciones:Linzen D et al (2003) Analysis and Evaluation of Charge Balancing Circuits on Performance, Reliability and Lifetime of Supercondensador Systems. (Recuperado el 26 de noviembre de 2008 de IEEExplore) y prometen llenar la brecha entre los condensadores y baterías.