Capacitores Electroquímicos de Doble Capa Asimétrica: La energía de la próxima década

Los súper-capacitores (Supercap) o ultra-capacitores, forman parte de una industria emergente que espera aglutinar en los próximos diez años un mercado de casi 10 mil millones de Euros, en aplicaciones domésticas donde reemplazarán a las baterías recargables tradicionales. Teniendo en cuenta que aún tienen muchos aspectos para mejorar, los avances son mucho más vertiginosos que los experimentados por las baterías tradicionales que, poco a poco, perderán terreno frente a estos dispositivos. Con una vida útil estimada en 20 años y un rendimiento comparable a las actuales Baterías de Litio, la versatilidad de estos súper-capacitores (o súper-condensadores) transformará a la electrónica móvil tal como la conocemos hoy. Entérate como será el futuro de los acumuladores de energía aquí, en NeoTeo.

Los electrodos de metal, que forman la estructura interna de estos dispositivos, están cubiertos de carbón activado muy poroso y construido en forma tradicional, a partir de cáscaras de coco, pero este material se está reemplazando, cada vez más, por una solución viscosa de carbono, junto a otros elementos como el grafeno y nanotubos de carbono. Entre estos electrodos se ubica un material, también con características porosas, para mantener los electrodos separados cuando se los enrolla en forma de espiral y finalmente se sumergen en un electrolito. Algunos tipos de súper-capacitores (o súper-condensadores) más avanzados poseen un electrolito sólido. El dispositivo que está comenzando a aparecer en el mercado con paso firme está construido a partir de una tecnología “hermana” a la tradicional y que se denomina AEDLC (Asymmetric Electrochemical Double Layer Capacitors) o como se los conoce en forma popular: Supercabatteries. Entre sus características que la destacan por sobre sus antecesores, encontramos que sus electrodos son del mismo estilo que el de una batería, lo que le permite tener un desempeño muy similar, ofreciendo valores capacitivos mayores.

Estos elementos, que se están estableciendo en la industria electrónica y eléctrica, están orientados a ser empleados en las aplicaciones más diversas que el mercado pueda ofrecer como son las unidades UPS (sistemas ininterrumpidos de energía) o hasta en un camión. Por ejemplo, un grupo de estos súper-capacitores pueden reemplazar a un grupo de baterías tradicionales de plomo-ácido para hacer arrancar un camón en una fría mañana, aún en las más heladas que se puedan imaginar, ya que este tipo de dispositivos no se ve afectado por las bajas temperaturas. Pueden encargarse de abrir y cerrar las puertas de un autobús cuando los sistemas eléctricos se encuentran disminuidos, por los sistemas de frenado o por la iluminación. Es decir, pueden asistir a los sistemas de frenado regenerativo en los vehículos híbridos, en los momentos críticos de transición energética. De hecho, en Estados Unidos, Rusia y China, hay autobuses que no tienen baterías de tracción, todo el trabajo es realizado por súper-capacitores.

General Electric, por ejemplo, ha desarrollado una camioneta con un súper-capacitor en reemplazo de una batería tradicional y algo similar ocurre en algunos misiles, juguetes y herramientas eléctricas. Los ensayos en Australia demostraron que los súper-capacitores presentaron un rendimiento superior a los acumuladores de plomo-ácido en las turbinas de viento. Durante estos días, los súper-capacitores se presentan como uno de los clavos más grandes para el ataúd de las baterías de plomo-ácido, sin embargo esa es sólo una parte de la historia ya que sus prestaciones están mejorando más rápido de lo que lo hace su competencia directa: las baterías. Proveedores como Elbit Systems, Graphene Energy, Nanotech Instruments y Skeleton Technologies, aseguran que alcanzan y hasta pueden llegar a exceder la densidad de energía de las baterías de plomo con sus súper-capacitores y “supercabatteries”, algunos de los cuales (teóricamente) puede compararse con la densidad de energía de una batería de Li-Ion, durante un día completo, sin perder demasiado rendimiento.

Sin embargo, los súper-capacitores pertenecen a una rama de la electrónica y la ingeniería eléctrica que, “curiosamente”, son tenidos muy poco en cuenta por la prensa, los inversores, proveedores potenciales y otras personas que viven aún en el pasado mundo de las baterías tradicionales, a pesar de tener ante sí un mercado multimillonario y de rápido crecimiento. Por ejemplo, para vehículos terrestres, acuáticos y aéreos (todos eléctricos), hay cerca de 200 fabricantes de motores y 110 proveedores de baterías de tracción, en comparación con sólo unos pocos fabricantes de súper-capacitores. En total, hay poco más de 66 fabricantes importantes en el mundo y la mayor parte de su mercado, se concentra en pequeños aparatos electrónicos de consumo, en funciones sencillas, como reserva simple de energía.

Al igual que otros componentes, los súper-capacitores tienen una vida útil que disminuye con el aumento de temperatura de funcionamiento, la humedad, una elevada tensión aplicada o el repetitivo ciclo de trabajo, aunque éste último parámetro sólo los afecta en forma mínima. Observa la cantidad de ventajas que podemos encontrar en los súper-capacitores, por sobre las baterías recargables:

• Baja impedancia (ESR) con un impulso de corriente mejorado, lo que permite un mejor manejo de carga cuando está en conexión en paralelo con una batería.

• El ciclo de descarga puede ser muy acelerado alcanzando desde unos pocos milisegundos hasta varios minutos y se puede cargar nuevamente en cuestión de segundos o minutos.

• Ya están disponibles en el mercado, capacitores dentro de la gama de los Hecto-Faradios y Kilo- Faradios.

• Poseen una alta eficiencia, en el orden del 97-98% en la mayoría de las aplicaciones

• En un vehículo híbrido eléctrico, la eficiencia es de aproximadamente 10% más que una batería.

• Funciona bien en un rango muy amplio de temperaturas, generalmente de -40°C a +70°C, pero puede alcanzar márgenes de -50°C a +85°C y existen versiones especiales que van hasta 125°C

• La capacidad aumenta a medida que disminuye la temperatura, a diferencia de una batería tradicional.

• Libera muy poco calor durante los períodos de carga y descarga

• El tiempo de vida estimado es muy elevado con una alta fiabilidad, eliminando los costos de mantenimiento

• Una pequeña degradación comienza luego de cientos de miles de ciclos de carga y descarga, y tiene una duración estimada de hasta 20 millones de ciclos.

• Presentan una pérdida de capacidad menor al  20% después de 10 años, con una vida útil estimada en 20 años o más.

• No está sujeto al desgaste y el envejecimiento experimentado por las tradicionales baterías electro-químicas.

• No es afectado por las descargas profundas a diferencia de las baterías.

• Su tensión puede ser reducida a “Cero Volt” para un transporte seguro o durante tareas de mantenimiento.

• No liberan sustancias peligrosas que puedan dañar el medio ambiente.

• No poseen piezas desechables durante toda la vida operativa del dispositivo.

• Al final de su vida útil, no hay materiales peligrosos para su eliminación a diferencia de muchas baterías.

• Cumple con la mayoría de las normas ambientales por lo que su reciclaje es muy sencillo.

• Los precios de estos productos han caído más rápido en estos últimos 10 años respecto a los de la mayoría de los capacitores y baterías. Por ejemplo, un súper-capacitor de 3.000F costaba casi 3.500 Euros en 2001, mientras que en 2011, costaba menos de 35 Euros.

• Bajo coste por ciclo de carga y descarga.

• Bajo coste por Faradio (La unidad de capacidad).

Por supuesto, también hay muchas desventajas por superar aún y lo sorprendente de estos súper-capacitores y “supercabatteries”, es que están evolucionando favorablemente a mayor velocidad que cualquiera de las baterías convencionales. Esto significa que no sorprenderá a nadie que pronto comencemos a hablar, cada día más de estos dispositivos, a la vez que comencemos a ver una mayor cantidad de publicidad invitando a su implementación. Como la lógica indica, ese será “el comienzo del fin” de las baterías tradicionales si no realiza un cambio estratégico en su política de precios y de rendimientos. Por ahora, este competidor se está acercando y está comenzando a arrebatarle aplicaciones que eran de su dominio absoluto, a pesar de las desventajas que aún deben superar y mejorar, como por ejemplo:

• Poseen baja densidad de energía. Por lo general pueden almacenar un décimo o un quinto de energía respecto a una batería electroquímica.

• No poseen una descarga lineal, lo que representa la imposibilidad de usar el espectro de energía completo a lo largo de su descarga y, dependiendo de la aplicación, no toda la energía está disponible (aunque esto también ocurre con algunas baterías)

• Al igual que con las baterías, las células tienen bajas tensiones, por lo tanto las conexiones en serie de varios elementos son necesarios para obtener voltajes útiles de trabajo.

• Poseen una tasa de auto-descarga mayor que una batería, aunque han mejorado de apenas un día a varios meses.

• La pérdida de capacidad (en Faradios) en límites de alta frecuencia, cuando se los desea utilizar para el filtrado en los circuitos electrónicos.

• La tensión (o voltaje) varía con la cantidad de energía almacenada. Para almacenar y recuperar eficazmente toda la energía, en forma racional, requiere un control electrónico más sofisticado, respecto a los tradicionales acumuladores.

• La máxima temperatura de trabajo se ubica, por lo general, por debajo de los 70°C u 85°C

• Una temperatura de almacenamiento por encima de 80° C destruye el dispositivo, a menos que esté especialmente construido para soportar esta condición.

• Alto costo inicial.

Estas desventajas serán resueltas en un tiempo que se estima en 10 años, tal como te adelantamos en el enunciado. Mientras tanto, la convivencia de los súper-capacitores y los novedosos “supercabattery” con las baterías tradicionales, está ganando terreno dentro del campo de la administración y el manejo de la energía en muchos equipos eléctricos y electrónicos. El constante crecimiento, su larga vida útil, su mejor desempeño a cada día que pasa  y avance tecnológico de estos dispositivos, puede poner en jaque a las baterías recargables en muchas aplicaciones. Hoy, el usuario puede optar por un acumulador que deba cargar todos los días y tenga un pronóstico de vida de 20 años por sobre otro que lo recarga cada tres días y posee una vida útil de solo 3 años. En tu caso y cuando la aplicación lo permita, ¿dudarías en la elección?