Los supercondensadores como alternativa a las baterías en el almacenamiento y suministro de energía

Autor: Jose M. Abad. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica. CSIC

La investigación está enfocada en el intento de obtener supercondensadores con densidades de energía almacenadas similares a baterías, con lo que se dispondría de un dispositivo de almacenamiento con alta potencia y densidad de energía, ciclos de carga/descarga rápidos y larga durabilidad.

Los supercondensadores (SCs), también conocidos como condensadores electroquímicos, están siendo objeto de una extensiva investigación como un nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento alternativo a las baterías, debido a las ventajas que presentan con respecto a estas últimas, como son una alta potencia de energía, mejor estabilidad tras largos ciclos de utilización y una carga y descarga instantánea. La construcción y funcionamiento de un condensador clásico es sencilla. Se trata de dos electrodos capaces de almacenar carga eléctrica y separados por un material aislante. Cuando se aplica una tensión eléctrica entre los electrodos, el condensador se ‘carga’ hasta el nivel de tensión aplicado. Una vez que se desconecta la fuente de tensión, el voltaje entre las patillas del condensador se mantiene hasta que se cierra el circuito y se produce la descarga a través de la resistencia correspondiente.

Los SCs representan una innovadora y revolucionaria forma de almacenar energía eléctrica extendiendo las capacidades de los clásicos condensadores mediante dos vías. Por un lado, estos pueden almacenar como un condensador clásico, energía electrostática resultante de la doble-capa eléctrica, en la capa de Hemholtz sobre un electrodo (condensador de doble-capa eléctrica o EDLC). Y por otro, mediante una pseudocapacitancia resultante de reacciones redox de especies adsorbidas directamente sobre el electrodo. El almacenamiento de energía en los supercondensadores pseudocapacitivos tiene lugar mediante reacciones reversibles de oxidación/reducción (redox) de tipo faradaico. Estas reacciones presentan transferencia de electrones, debido a cambios reversibles en el estado de oxidación de alguno de los elementos que forman el material activo del electrodo. La acumulación de carga eléctrica en estos sistemas ocurre de forma similar a como se produce en una batería. Sin embargo, mientras que en una batería las reacciones redox ocurren a un potencial definido, en el mecanismo pseudocapacitivo las reacciones redox ocurren en un amplio rango de potencial.

La investigación a día de hoy está enfocada en conseguir incrementar la densidad de energía para equipararse a las baterías, lo que supondría poder disponer en el mismo dispositivo una alta densidad y potencia energética. Para lograrlo se están realizando diferentes combinaciones de nanomateriales para conseguir un supercondensador híbrido, que aproveche las ventajas de los EDLCs y de los pseudocondensadores y minimice sus desventajas para obtener mejores rendimientos. Por un lado, se están utilizando materiales carbonáceos como EDLCs en diferentes formas nanoestructuradas (grafeno, nanotubos de carbono, etc.) que exhiben una alta área superficial, buena conductividad y estabilidad química y térmica.  Por otro lado, una ruta potencial para incrementar la energía almacenada en los SCS, es mediante el dopaje de heteroátomos de los materiales carbonáceos con óxidos metálicos (MnO₂, NiO, TiO₂ and Fe₂O₃, etc.) en diferentes formas. Estos dan lugar a rápidas reacciones faradaicas con la consiguiente mejora de la capacitancia a través de contribuciones pseudocapacitativas.

La mejora y desarrollo de los SCs no solo tiene su objetivo la obtención de un mayor almacenamiento energético, sino también en la reducción del tiempo de carga y un aumento de la vida útil, factores estos de gran importancia, para las diferentes aplicaciones. Estas van, desde la industria del transporte (ej. bicicletas eléctricas, coches y camiones híbridos eléctricos), aplicaciones médicas (ej. marcapasos) o en vuelos aeroespaciales. En este sentido ya se está trabajando en su aplicación en satélites de telecomunicación, control de vuelo y propulsión eléctrica de naves espaciales. También están siendo de gran ayuda en el campo de las energías renovables (solar, eólica y otras fuentes de energía renovables), ya que éstas producen electricidad de manera intermitente y los SCs pueden almacenar, regular y estabilizar el suministro. En el campo de la bioelectrónica, su aplicación en bioceldas de combustible enzimáticas, está permitiendo su utilización en dispositivos, proporcionando una potencia de salida alta y estable.

Referencias

1. Libich, J. Máca, J. Vondrák, O. Čech, M. Sedlaříková. Supercapacitors: Properties and applications. Journal of Energy Storage 2018, 17, 224–227.
2. Farhat, J. J. Jiménez Carreira, G. Palissat. Supercapacitors: Applications in Space, Development Conducted by ESA and Challenges to Overcome. the Netherlands at the 3rd PCNS 7-10th September 2021, Milano, Italy as paper No.2.4.
3. Pankratova, P. Bollella, D. Pankratov, L. Gorton. Supercapacitive biofuel cells. Current Opinion in Biotechnology 2022, 73:1–9.
4. Seara Martínez, María (2019) Escalado de la producción de nanomateriales de grafeno/óxidos metálicos para su uso como electrodos en supercondensadores. Tesis de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Ingeniería Química.

Contacto
Jose M. Abad, Investigador del grupo FCF del programa FotoArt-CM.
Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.