Supercondensadores: puente entre las baterías y los condensadores

(Publicado por vez primera en http://papeldeperiodico.com/2013/10/02/que-son-los-supercondensadores/)

Un supercondensador, es un dispositivo que permite almacenar grandes cantidades de energía eléctrica y cederla en forma relativamente rápida. Para entender su funcionamiento, veamos una analogía con un circuito hidráulico (todos hemos visto una presa, o un depósito de agua que alimenta una red de tuberías).

Presa.

Imagine usted que es un ingeniero de procesos en una planta industrial donde se requiere un flujo muy caudaloso de agua para el lavado de botellas y un flujo menor (constante) para llenarlas. Para este caso, la planta cuenta con agua suministrada por una presa cercana, y para el otro, se tiene un tanque de cierta capacidad que, al ser llenado (en cierto tiempo), se vacía por un conducto de gran diámetro, obteniendo el caudal y la energía necesaria para el correcto lavado de botellas.

Usted, por cuestiones de eficiencia, quiere contar con un flujo caudaloso adecuado con mayor frecuencia por lo que diseña un tanque sustituto de mucha mayor capacidad. Después de cálculos y estimaciones, usted obtiene en papel el esquema de un tanque “híbrido” que contaría con una elevada capacidad (emulando a una presa) el cual podría suministrar el flujo constante de llenado y también los flujos caudalosos requeridos. Podríamos llamarle a este inmenso reservorio «supertanque» o también «supercondensador hidráulico» (debido a su alta capacidad de almacenamiento y descarga de agua).

Tanque de agua elevado.

Pasemos ahora del circuito hidráulico al eléctrico: la presa, que permite tener un flujo constante de agua para el llenado de botellas, sería el equivalente eléctrico de una batería; el agua acumulada en la presa, sería la carga eléctrica almacenada electroquímicamente en la batería; el conducto ‒o tubo‒ hidráulico, junto con su válvula de cierre, sería el equivalente de un alambre conductor de la electricidad conectado a una resistencia que limita el paso de la corriente; el tanque, que almacena el agua para lavar botellas, sería un condensador (o capacitor) eléctrico, capaz de almacenar carga eléctrica; el «supertanque», sería el equivalente eléctrico de un supercondensador, el cual puede almacenar grandes cantidades de carga eléctrica y cederla en forma relativamente rápida; la altura del tanque sería el equivalente al voltaje del condensador o supercondensador.

Un globo, un condensador eléctrico

Como vimos ya brevemente, un condensador es un dispositivo que almacena carga eléctrica. ¿Cómo ocurre esto?… Pensemos en un globo inflado. Éste, al frotarse con el cabello (o con una prenda de lana), adquiere carga eléctrica (electrones del cabello ‒o de la lana‒ se trasladan al globo, obteniendo así una carga eléctrica neta negativa). Cuando el globo vuelve a acercarse a la cabeza atrae cabellos, o si se acerca a pequeños pedazos de papel, los atraerá también. De hecho, el globo, por tener la capacidad de almacenar carga eléctrica, es un condensador eléctrico. El globo cargado, podría adherirse a una pared, que, aunque es eléctricamente neutra, la carga negativa del globo le induce a tener  una carga eléctrica positiva en su superficie, generando así una fuerza electrostática de atracción (cargas eléctricas opuestas se atraen, en caso contrario, se repelen). En el momento en el que el globo transfiere su carga negativa a la pared, se vuelve eléctricamente neutro y cae al suelo.

Condensador de «placas paralelas»

Líneas de campo eléctrico entre
dos placas con carga opuesta

Un condensador eléctrico consiste de dos placas paralelas, separadas a cierta distancia, en las que se puede acumular carga eléctrica: positiva en una placa, y negativa en la otra. Tal configuración genera un campo eléctrico entre ellas (con cierta diferencia de potencial, medida en voltios). En el ejemplo del globo, éste podría representar la placa con carga negativa y determinada área de la pared, la placa con carga positiva.

En los condensadores eléctricos, cuanto mayor sea el área de las placas y menor la distancia entre ellas, mayor es su capacidad de almacenamiento de carga. En medio de ambas puede colocarse algún aislante (denominado dieléctrico) como aire, plástico, cerámica o algún electrolito, que incrementa la capacidad del condensador. Cada dieléctrico tiene determinada capacidad de polarización, es decir, qué tanto sus moléculas, o iones (en el caso de un electrolito), se alinean con el campo eléctrico generado entre las placas. La parte negativa de las moléculas polarizadas se dirigen hacia la placa con carga positiva, y la parte positiva hacia la placa negativa. La polarización en el dieléctrico, genera otro campo eléctrico que se opone al generado por las placas del condensador. Para compensar la súbita disminución del campo eléctrico (el potencial entre las placas debe permanecer constante), se almacena más carga eléctrica en las placas, lo cual genera una mayor capacidad eléctrica total en el dispositivo.

Así, vemos que hay tres factores principales que influyen en el comportamiento de un condensador: el área de las placas, la distancia, y el dieléctrico. La unidad de medida de la capacidad eléctrica es el Faradio (F), en honor al científico británico Michael Faraday.

En la industria de los componentes electrónicos, son muy comunes dos tipos de condensadores: los cerámicos y los electrolíticos. En los primeros, se utilizan materiales cerámicos como dieléctrico. En los segundos, el dieléctrico (un electrolito que consiste de una solución con moléculas eléctricamente cargadas, es decir, iones) humedece un papel en medio de dos tiras metálicas enrolladas. Esta configuración permite altas capacidades en un volumen relativamente pequeño. Los condensadores convencionales tienen valores de orden de los pF (pico-Faradios, 10^-12 F), nF (nano-Faradios, 10^-9 F) o μF (micro-Faradios, 10^-6 F).

Los supercondensadores

Como vimos, cuanto mayor sea el área de las «placas» de un condensador, la capacidad de almacenamiento de carga es mayor. Pero ante el impráctico incremento de área lisa (el dispositivo sería demasiado voluminoso), es mejor aumentar la rugosidad de la placa como una manera de incrementar el área. Si las «arrugas» de la superficie tienden a ser prominentes e ínfimas, en el orden de los μm (micro-metros, 10^-6 m) o nm (nano-metros, 10^-9 m), la superficie tendería a ser enorme. Esta característica permite que la capacidad de un condensador se incremente en forma significativa.

Uno de los materiales que permite una rugosidad (o porosidad) a escala nanométrica, es el carbono, ya sea en forma activada (alto nivel de porosidad ‒un gramo puede sobrepasar los 600 m² de área‒); de nanotubos (cilindros muy largos con respecto a su diámetro, de una o varias capas); o de grafeno (hojuelas de un átomo de espesor). Estas morfologías han permitido el desarrollo de supercondensadores de carbono con capacidades en el orden de los Faradios o decenas de Faradios por gramo (cientos de miles de veces la capacidad de un condensador electrolítico convencional).

Supercondensador de 400 F (a 2.7 V).

Por otra parte, se han desarrollado supercondensadores de mayor capacidad basados en polímeros conductores (macromoléculas conformadas por cientos o miles de unidades ‒monómeros‒ que debido a sus enlaces, y bajo ciertas condiciones, permiten la conducción de electricidad) como la polianilina, el polipirrol y el politiofeno. Estos materiales no almacenan la carga eléctrica en su superficie, sino en su volumen (mediante la inserción/expulsión de ciertos iones en un electrolito). Es decir, estos condensadores rompen con el esquema del condensador de dos «placas». Por tal razón, a su propiedad de almacenar carga eléctrica se le llama pseudocapacidad. También existen supercondesadores de óxido de rutilo, de iridio y de rutenio. Específicamente con este último se han obtenido capacidades de hasta 400 faradios por gramo (F/g). Ambas clases de supercondensadores: de polímeros conductores y óxidos metálicos, almacenan y ceden carga eléctrica mediante reacciones de óxido-reducción (redox) en un electrolito adecuado.

Las capacidades de los supercondensadores basados en polímeros conductores están en el orden de los cientos de F/g (cientos de veces la capacidad de los supercondensadores de carbono), pero como la carga se almacena en su volumen, la rapidez carga/descarga es baja (cierta porosidad en el polímero conductor aumenta la rapidez). Una de sus mayores desventajas es su corta vida útil: almacenan y descargan carga eléctrica de manera eficiente sólo algunos cientos o miles de veces (en contraste, los supercondensadores de carbono llegan a alcanzar millones de ciclos de trabajo). Con respecto a los supercondensadores de óxidos metálicos, el ciclo carga/descarga es más rápido y su vida útil más larga pero tienen el inconveniente de su alto costo.

Aplicaciones de los supercondensadores

Automóvil híbrido.

Los supercondensadores pueden utilizarse en automóviles eléctricos o híbridos (los cuales funcionan con un motor de combustión interna y otro eléctrico). Son capaces de ceder la enorme carga eléctrica almacenada en muy poco tiempo (una corriente eléctrica alta) que ayudaría a accionar el motor eléctrico (alimentado por una batería) cuando el vehículo se encuentre en alto total. Al poco tiempo, el supercondensador se cargaría otra vez para volver a ceder su energía eléctrica cuando fuera necesario. Un supercondensador también podría apoyar con potencia eléctrica a un motor de un elevador, o podría utilizarse para alimentar dispositivos electrónicos, como celulares, relojes o cámaras fotográficas, durante periodos relativamente largos.

Los supercondensadores son dispositivos intermedios entre una batería eléctrica y un condensador convencional. En ciertas condiciones podría utilizarse como batería, y en otras, como condensador (con una capacidad enorme).