Supercondensadores

Un supercondensador, es un dispositivo que permite almacenar grandes cantidades de energía eléctrica y cederla en forma relativamente rápida para un fin determinado. 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, estimado lector, que usted es un ingeniero de procesos en una planta industrial en la que requiere un flujo de agua constante para el llenado de botellas, y un flujo muy caudaloso para el lavado de un conjunto grande de botellas. Para el flujo constante, cuenta con el agua suministrada por una presa cercana. Para el flujo de lavado, posee un tanque de cierta capacidad que al ser llenado de agua, se vacía por un conducto de gran diámetro, obteniendo así el caudal necesario para el lavado de botellas (es necesario cierto tiempo para llenarlo con agua de la presa).

Usted quisiera disminuir el tiempo de llenado del tanque de lavado (por cuestiones de espacio no puede adquirir otro tanque), por lo que diseña en su mente un tanque de mucha mayor capacidad ‒en un terreno cercano‒ que le pudiera permitir lavar las botellas en menos tiempo. Se le ocurre un tanque híbrido con una capacidad muy grande (emulando a una presa) que le permita mantener un flujo constante, y con características del tanque de lavado, como la posibilidad de contar con un flujo caudaloso cuando fuera requerido. En un momento dado, le podríamos llamar a este reservorio «supertanque» o también «supercondensador hidráulico» (debido a su alta capacidad de almacenamiento y descarga de agua).

Tanque de agua elevado

Tanque de agua elevado

La presa, que permite tener un flujo constante de agua para el llenado de botellas, tiene el equivalente eléctrico de una batería. El agua acumulada, sería la carga eléctrica almacenada electroquímicamente en su interior. El conducto ‒o tubo‒ hidráulico, junto con su válvula de cierre, tiene el equivalente de un alambre conductor de la electricidad, junto con una resistencia que limita el paso de la corriente eléctrica.

El equivalente eléctrico del tanque que permite el lavado de botellas, es un condensador. Éste puede almacenar energía eléctrica en un nivel mucho menor que la batería, aunque puede cederla de una forma mucho más rápida. El condensador (como el tanque de lavado), puede cargarse y descargarse las veces necesarias. La altura del tanque podría representar el potencial eléctrico del condensador.

El equivalente eléctrico de lo que usted, como ingeniero, creó en su mente para la hipotética planta industrial, se denomina supercondensador, el cual puede almacenar grandes cantidades de carga eléctrica ‒o energía eléctrica‒ y cederla en forma relativamente rápida.

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, al 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»

placas

Líneas de campo eléctrico entre dos placas con carga eléctrica opuesta

Mediante un condensador eléctrico de placas paralelas (separadas a cierta distancia) se puede acumular carga eléctrica positiva en una placa, y negativa en la otra, generándose un campo eléctrico entre ambas (con una diferencia de potencial ‒medida en voltios‒ determinada). Volviendo al ejemplo del globo, éste podría representar la placa con carga negativa y el área de la pared con carga opuesta, la placa con carga positiva. Además de la fuerza electrostática, habría una diferencia de potencial entre el globo y la pared.

En los condensadores eléctricos, cuanto mayor sea el área de las placas y menor la distancia entre ellas, mayor es su capacidad. En medio de las placas se coloca material aislante, denominado dieléctrico (que influye también en la capacidad del condensador). El dieléctrico puede se aire, plástico, cerámica, algún electrolito, entre otros. La diferencia entre estos materiales es su capacidad de polarizarse eléctricamente, es decir, qué tanto sus moléculas, o iones (en el caso de un electrolito), son capaces de alinearse con el campo eléctrico, quedando la parte negativa de las moléculas polarizadas dirigida hacia la placa con carga positiva, y la parte positiva hacia la placa negativa.

Tal arreglo de cargas 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 total (el potencial entre las placas es constante), se almacena aún más carga eléctrica en las placas, por lo que la capacidad total del dispositivo se incrementa. 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 entre ambas. La unidad de medida de la capacidad eléctrica es el Faradio ‒F‒ (en honor al científico británico Michael Faraday).

capacitores

Condensadores electrolíticos axiales

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 muy altas capacidades en un volumen relativamente pequeño. Los condensadores convencionales tienen valores de capacidad del orden de los pF (pico-Faradios, 10-12 F) o nF (nano-Faradios, 10-9 F) hasta llegar a los 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. Por lo tanto, estas condiciones permitirían que la capacidad de un condensador de «placas rugosas» ‒o incluso porosas‒ pueda incrementarse significativamente. Aquí es donde entramos en el área de los supercondensadores.

Uno de los materiales que permite una rugosidad o porosidad a escala nanométrica, es el carbono, ya sea como carbono activado (carbono con un alto nivel de porosidad ‒un gramo puede sobrepasar los 600 m2 de área‒), nanotubos de carbono (cilindros muy largos con respecto a su diámetro, de una sola capa o de varias), o grafeno (hojuelas de carbono de un átomo de espesor). Se han construido supercondensadores de carbono ‒con un electrolito adecuado‒ que permiten capacidades en el orden de los Faradios o decenas de Faradios por gramo (cientos de miles de veces la capacidad de un condensador electrolítico, por ejemplo).

supercondensador

Supercondensador de 400 Faradios (2.7 V)

Además de los supercondensadores de carbono, hay otros con una mayor capacidad aún. Generalmente están basados en polímeros conductores (un polímero es una macromolécula conformada 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, el politiofeno, entre otros. Estos materiales no almacenan la carga eléctrica en su superficie, sino en su volumen (mediante la inserción/expulsión de ciertos iones provenientes de un electrolito). Es decir, estos condensadores romperían con el esquema del condensador convencional de dos «placas». Por esta razón, a su propiedad de almacenar carga eléctrica se le llama pseudocapacidad.

Las capacidades de los supercondensadores basados en polímeros conductores están en el orden de los cientos de Faradios por gramo. Para una velocidad de carga/descarga mayor, es preferible que el polímero sea lo más poroso posible. Esto facilita la interacción de los iones en solución con las cadenas poliméricas. La ventaja de estos dispositivos con respecto a los de carbono, es que pueden almacenar cientos de veces más carga eléctrica, la desventaja, es que su vida útil es sensiblemente menor. Actualmente, se realiza una amplia investigación científica para hacerlos más eficientes.

Aplicaciones de los supercondensadores y consideraciones finales

hibrido-coche

Automóvil híbrido

En cuanto las aplicaciones de los supercondensadores, éstos pueden utilizarse en automóviles eléctricos o híbridos (los cuales funcionan con un motor de combustión interna y otro eléctrico). Otorgarían la enorme carga eléctrica almacenada en muy poco tiempo (una corriente eléctrica alta) que ayudarían a accionar el motor eléctrico (alimentado por una batería) cuando el vehículo se encuentre en alto total. Posteriormente, el supercondensador se volvería a cargar relativamente rápido para volver a ceder su carga eléctrica en algún otro alto. Bajo este mismo principio, un supercondensador podría apoyar con potencia eléctrica a un motor de un elevador, por ejemplo. También, podría utilizarse para alimentar eléctricamente dispositivos electrónicos como móviles, relojes, cámaras fotográficas, entre otros, durante periodos relativamente largos.

Como podemos ver, el supercondensador sería un dispositivo intermedio entre una batería eléctrica y un condensador convencional. En ciertas condiciones podría utilizarse como batería, y en otras, como condensador (con una capacidad enorme). Sería como obtener un enorme tanque para almacenar agua, que a veces tenga la función de presa, y a veces de tanque para el lavado de botellas, como vimos en nuestra analogía.

Fuente: PapeldePeriodico

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