Cómo los supercondensadores almacenan y entregan energía
Los supercondensadores, también conocidos como condensadores eléctricos de doble-capa o EDLC, almacenan energía eléctrica mediante la separación de carga electrostática en la interfaz electrodo/electrolito. Debido a que el mecanismo es físico en lugar de químico, la carga se puede absorber y liberar en cuestión de segundos y la estructura del electrodo sólo se somete a tensión marginal durante el ciclo. Los materiales a base de carbono-, incluido el carbón activado, el grafito sintético y los compuestos de grafito, son los principales materiales de electrodos utilizados en las celdas comerciales.
Para un comprador industrial, la pregunta práctica rara vez es si el carbono funciona o no, sino qué combinación de superficie de carbono y conductividad del grafito ofrece el mejor equilibrio entre potencia, vida útil y costo para un ciclo de trabajo definido.
Por qué los electrodos de grafito mejoran el rendimiento de los electrodos
El carbón activado suministra la superficie que almacena la carga; El grafito suministra la red conductora que mueve los electrones dentro y fuera del recubrimiento. Las dos funciones son complementarias y, en consecuencia, las formulaciones de los electrodos están equilibradas. Las propiedades más importantes se enumeran a continuación.
Alta superficie específicaEl - carbón activado comercial suele alcanzar entre 1000 y 2000 m²/g. El valor normalmente se determina mediante adsorción de gas utilizando el método BET descrito en GB/T 19587 e ISO 9277.
Alta conductividad eléctrica- el grafito sintético agregado en un pequeño porcentaje en peso reduce la resistencia de contacto entre las partículas de carbono y el colector de corriente.
Estabilidad química y electroquímica.El grafito - resiste la oxidación y el ataque de electrolitos en toda la ventana de voltaje operativo de los dispositivos con electrolitos orgánicos-.
Estabilidad térmicaEl grafito - tolera el aumento de temperatura local producido por pulsaciones de corriente alta-sin cambios estructurales ni pérdida de conductividad.
Tamaño de partícula y pureza controlados.Los polvos de grafito - clasificados mantienen estable la reología del recubrimiento durante la producción de electrodos a alta-velocidad, mientras que los bajos niveles de ceniza y azufre ayudan a limitar la auto-descarga.
Densidad de potencia, ciclo de vida y costo en la práctica
Debido a que los EDLC almacenan energía mediante la separación física de la carga, la pérdida de capacidad durante el funcionamiento repetido se mantiene baja y la demanda de mantenimiento es modesta. La siguiente tabla resume cómo las propiedades materiales del grafito y el carbono se traducen en un comportamiento medible del dispositivo.
| Propiedad material | Efecto dentro de la célula | Beneficio práctico |
|---|---|---|
| Alta conductividad eléctrica | Transferencia de electrones más rápida en el electrodo. | Alta densidad de potencia y corto tiempo de carga |
| Gran superficie de carbono | Más sitios disponibles para la adsorción de iones | Mayor capacitancia específica |
| Estructura de carbono estable | Degradación mínima por ciclo | Cientos de miles de ciclos de carga/descarga |
| Procesamiento de grafito maduro | Suministro confiable de materia prima | Menor coste por kilovatio de potencia instalada |
| Bajo contenido en cenizas y azufre. | Menos reacciones secundarias en el electrodo. | Autodescarga más lenta-y envejecimiento predecible |
La rentabilidad se deriva tanto de la disponibilidad del material como del rendimiento del dispositivo: las materias primas de carbono y grafito son abundantes, las rutas de procesamiento están maduras y los electrodos resultantes se pueden producir en líneas de recubrimiento convencionales.
Aplicaciones en el transporte, la industria y las energías renovables
Los bancos de supercondensadores se seleccionan cuando la alta potencia, la respuesta rápida y un intervalo de servicio muy largo compensan la menor densidad de energía de un dispositivo electrostático.
Vehículos eléctricos y autobuses híbridos.- captura la energía de frenado regenerativa, ayuda a la aceleración y reduce la carga máxima de la batería de tracción.
Sistemas ferroviarios y de metro- recupera la energía de frenado y suministra energía a corto-plazo durante la aceleración, lo que reduce los cargos por demanda en la red de suministro.
Plantas de energías renovables- suavizar la producción de los parques solares y eólicos y amortiguar las fluctuaciones a corto-plazo antes de que lleguen a la red.
Equipos industriales y UPS- supera las caídas de voltaje, suministra pulsos de alta-potencia a maquinaria automatizada y protege líneas de producción sensibles.
Maquinaria portuaria y de manipulación de materiales- absorben la energía máxima de ciclos de elevación repetidos donde los sistemas-solo de batería envejecerían rápidamente.
Selección de materiales y control de calidad.
No existe un grado único de grafito que se adapte a todos los diseños de supercondensadores. Los compradores normalmente fijan la distribución del tamaño de las partículas, el área de superficie específica, la densidad del grifo, los límites de cenizas y azufre en función del proceso de recubrimiento del electrodo y el ciclo de trabajo requerido, y luego verifican cada lote. La inspección entrante típica cubre el área de superficie BET según GB/T 19587, el tamaño de partícula mediante difracción láser y la resistividad eléctrica medida en una muestra prensada. Cuando se suministra un cuerpo de electrodo de grafito para uso industrial, los requisitos de dimensiones y designación suelen hacer referencia a GB/T 3072 e IEC 60239 para que el artículo entregado pueda coincidir con el equipo al que sirve.
Para los proveedores e integradores, la regla práctica es especificar las propiedades del material que el proceso del electrodo puede controlar y mantener tolerancias lo suficientemente estrictas como para que la capacitancia y la resistencia interna específicas permanezcan dentro de la ventana de diseño de un lote a otro.
Preguntas frecuentes
P: ¿Por qué se utiliza el grafito con carbón activado en lugar de solo?
El grafito tiene una conductividad excelente pero una superficie baja, mientras que el carbón activado tiene una superficie muy alta pero una conductividad limitada. Usados juntos, el grafito suministra la ruta de los electrones y el carbón activado suministra los sitios de almacenamiento de carga.
P: ¿Cuánto duran los electrodos de supercondensadores basados en carbono-?
Debido a que la energía se almacena mediante la separación física de la carga, los electrodos de carbono generalmente sobreviven cientos de miles de ciclos de carga y descarga con una baja pérdida de capacidad, mucho más que un electrodo de batería bajo ciclos comparables.
P: ¿Qué superficie debe tener un electrodo de carbón?
Los carbonos de los electrodos comerciales suelen estar en el rango de aproximadamente 1000 a 2000 m²/g medidos con el método BET, con el objetivo exacto establecido por el sistema de electrolitos y la capacitancia específica requerida.
P: ¿Cuánto grafito se agrega al recubrimiento de un electrodo?
La fracción de aditivo conductor es normalmente de unos pocos porcentajes en peso. El óptimo se encuentra equilibrando la conductividad con la dilución del área de superficie que almacena la carga.
P: ¿Son los supercondensadores un sustituto de las baterías?
No. Complementan las baterías: el supercondensador maneja una demanda de alta-potencia y de corta-duración, mientras que la batería proporciona la capacidad de energía de larga-duración.
P: ¿Qué pruebas de calidad se deben acordar antes del envío?
Los controles habituales son la superficie específica, la distribución del tamaño de las partículas, la densidad aparente, el contenido de cenizas, el contenido de azufre y la resistividad, respaldados por un certificado de lote para los límites acordados.