Supercondensador para niños
Los supercondensadores, también conocidos como condensadores electroquímicos de doble capa o ultracondensadores, son dispositivos especiales que pueden almacenar una cantidad de energía mucho mayor que los condensadores normales. Imagina que un condensador normal es como un vaso pequeño para guardar agua, mientras que un supercondensador es como un cubo grande. Su capacidad para guardar energía es miles de veces mayor que la de los condensadores electrolíticos comunes.
Por ejemplo, un condensador electrolítico típico puede almacenar energía en unidades llamadas "miliFaradios" (mF). En cambio, un supercondensador del mismo tamaño puede almacenar varios "Faradios" (F), que es una cantidad mucho más grande. Aunque manejan voltajes más bajos, los supercondensadores comerciales más grandes pueden almacenar hasta 5000 Faradios.
Contenido
¿Cómo surgieron los supercondensadores?
Los primeros pasos en la historia de los supercondensadores
El primer supercondensador fue patentado en 1957 por H. E. Becker, un ingeniero de la empresa General Electric. Su idea fue aumentar la superficie de las placas del condensador usando un material poroso de carbono en una solución líquida especial llamada electrolito. Esto permitía almacenar mucha más energía.
En 1969, la empresa Standard Oil of Ohio (SOHIO) fabricó el primer supercondensador para uso comercial. Al principio, estos dispositivos tenían algunos problemas, como una alta resistencia interna. Sin embargo, en los siguientes veinte años, se usaron en aparatos como los primeros magnetoscopios, para guardar la memoria de las computadoras y en cámaras avanzadas.
Avances y desarrollo de los supercondensadores
A finales de los años ochenta, se logró crear el primer supercondensador de un Faradio. A principios de los noventa, empresas rusas presentaron supercondensadores que superaban los cien Faradios.
Un gran avance ocurrió en 1991, cuando se empezó a usar dióxido de rutenio. Este material ayudó a reducir la resistencia interna de los supercondensadores, haciéndolos mucho más eficientes. Esto despertó un gran interés, especialmente para su uso en vehículos que combinan diferentes tipos de energía. Desde 1998, el Departamento de Energía de los Estados Unidos ha impulsado mucha investigación en este campo.
Hoy en día, los supercondensadores comerciales suelen estar hechos de carbono con un electrolito de metal alcalino. Las empresas Panasonic y Maxwell Technologies son algunos de los principales fabricantes. Se usan mucho para estabilizar el voltaje en sistemas de energía. La investigación continúa para aplicarlos en vehículos que combinan diferentes tipos de energía y en sistemas de energía solar y eólica.
¿Cómo funcionan los supercondensadores?
El principio de la pseudocapacitancia
Los estudios sobre los supercondensadores llevaron a descubrir una nueva forma de almacenar energía eléctrica, llamada pseudocapacitancia. En los condensadores normales, la energía se guarda acumulando carga eléctrica entre dos láminas separadas por un material aislante.
Sin embargo, en los supercondensadores, especialmente los de carbono con una solución electrolítica de un metal, se descubrió que la carga se acumula de una manera diferente. Esto ocurre por la interacción de los iones metálicos con el material de carbono. Es como si el material de carbono tuviera pequeños "huecos" donde los iones pueden encajar, lo que permite almacenar más energía.
Factores que influyen en la capacidad
La pseudocapacitancia depende del voltaje, lo que significa que la capacidad de almacenamiento puede variar. Sin embargo, los supercondensadores se usan en rangos de voltaje donde se comportan como un condensador normal, pero con una capacidad mucho mayor. Además, se puede aumentar la capacidad añadiendo una capa muy fina de material aislante entre las caras de carbono.
Para mejorar los supercondensadores, los científicos estudian la concentración del electrolito (la solución líquida), el tipo de electrodos (las barras conductoras) y la naturaleza de la capa aislante. Se ha visto que ciertos electrolitos, como los hidróxidos de sodio y potasio, pueden aumentar la capacidad hasta cierto punto. También es muy importante que el material de carbono sea muy poroso, por eso se investigan diseños con nanotubos y nanoespumas de carbono. La capa aislante ideal debe tener un grosor específico, entre 50 y 200 micrómetros.
Tipos y fabricación de supercondensadores
Los supercondensadores se clasifican según los materiales con los que están hechos. Principalmente, se distinguen cuatro tipos:
- Supercondensadores electrolíticos de doble capa de carbono: Usan soluciones como hidróxido de sodio, hidróxido de potasio o ácido sulfúrico. En ellos, la solución se divide en iones positivos que se acumulan en las placas cuando se aplica voltaje, almacenando energía.
- Supercondensadores no electrolíticos de doble capa de carbono: Se fabrican con materiales como aerogeles, soles, nanotubos de carbono y carbón activado. Los "soles" son dispersiones de partículas sólidas en un líquido que se mueven constantemente. Al combinarlos con carbono, pueden alcanzar una capacidad muy alta.
- Supercondensadores acuosos de óxido de doble capa con pseudocapacitancia: Utilizan óxidos de metales como litio, rutenio, iridio, cobalto o manganeso. Se pueden fabricar depositando un óxido metálico mediante un proceso de electrólisis. Algunos óxidos, como el de rutenio, han logrado capacidades muy altas.
- Supercondensadores de polímeros conductores: Son materiales orgánicos que conducen la electricidad de forma similar a los metales. Son flexibles y pueden cambiar fácilmente entre un estado conductor y no conductor. Ejemplos incluyen el politiofeno, polipirrol y polianilina. Tienen una alta densidad de energía y sus propiedades de almacenamiento aún se están investigando.
Usos de los supercondensadores
La investigación en supercondensadores es muy importante por las grandes ventajas que ofrecen en los circuitos eléctricos:
- Pueden funcionar durante mucho tiempo.
- Manejan corrientes eléctricas muy altas.
- Es fácil saber cuánta carga tienen.
- Son muy eficientes.
- Funcionan en un amplio rango de voltajes y temperaturas.
- Tienen muchos ciclos de carga y descarga.
- Son fáciles de mantener.
Aunque su vida útil puede disminuir si su capacidad es muy alta, hoy en día existen dispositivos que duran más de veinte años. Gracias a estas características, los supercondensadores se usan en muchas aplicaciones y prometen ser un puente entre los condensadores y las baterías.
Los supercondensadores tienen muchos usos comerciales, especialmente para "suavizar la energía" y en dispositivos que necesitan una carga rápida. Al principio, se usaron para arrancar motores en grandes vehículos y submarinos. Como sus costos de producción han bajado, ahora se encuentran en camiones y locomotoras.
Más recientemente, han cobrado gran interés en el campo de la energía limpia, ya que su capacidad para absorber energía rápidamente los hace ideales para sistemas de frenado regenerativo (donde la energía del frenado se convierte en electricidad). Las baterías, en cambio, son más lentas para cargarse. Debido a su tamaño y peso reducidos, los supercondensadores se están adaptando para almacenar electricidad en vehículos eléctricos.
Un supercondensador de alta capacidad es muy eficiente (devuelve el 98% de la carga), almacena mucha energía en relación con su peso (aunque menos que una batería), no tienen "efecto memoria" (no pierden capacidad si no se descargan por completo) y pueden cargarse y descargarse muy rápido.
Supercondensadores en vehículos que combinan diferentes tipos de energía
Gracias a su eficiencia energética, los supercondensadores son muy prometedores para desarrollar medios de transporte que combinen la energía solar con la de combustibles. Ayudan a que el vehículo tenga una mejor descarga de energía durante la aceleración. Por ejemplo, en una prueba de 2000 con autobuses de la NASA, el uso de supercondensadores permitió acelerar el vehículo con mínimas pérdidas de energía.
También se están usando supercondensadores para las unidades de apoyo auxiliar (APU) en automóviles de pasajeros. Aunque algunos fabricantes, como BMW, señalan desafíos en su regulación debido a las modificaciones en los combustibles, son una opción viable para sistemas basados en hidrógeno.
Apoyo energético en edificios y sistemas
Muchos proyectos de ingeniería, como el diseño de ascensores, necesitan sistemas que puedan suministrar energía de forma precisa, con momentos de baja y alta demanda (como cuando el ascensor sube o baja). Los supercondensadores pueden proporcionar la energía necesaria para mover el ascensor sin sobrecargar la red eléctrica principal.
En aplicaciones de energía solar, es necesario estabilizar el voltaje que producen los paneles solares. Para esto, se usan supercondensadores conectados en paralelo. Se investiga cómo controlar el voltaje con un banco de supercondensadores para reducir los picos de tensión y proporcionar una corriente constante.
Almacenamiento de energía en dispositivos electrónicos
Uno de los usos más comunes de los supercondensadores es en sistemas microelectrónicos, memorias de computadoras, relojes y cámaras de alta precisión. Permiten que estos dispositivos sigan funcionando durante horas o incluso días. También se estudian para sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS), que aseguran que los equipos sigan funcionando si hay un corte de luz.
Sistemas de transferencia de potencia
En el campo de la energía, los supercondensadores son muy importantes para la transferencia de energía. Se usan en dispositivos llamados STATCOM (Compensadores Estáticos), que ayudan a controlar los picos de voltaje en los sistemas eléctricos. Al conectarse con estos sistemas, los supercondensadores compensan los cambios de corriente y voltaje, lo que facilita la transmisión de la energía eléctrica de forma más estable.
Véase también
En inglés: Supercapacitor Facts for Kids
- Autobús eléctrico
- Condensador eléctrico
- Girobús
- Grafeno
