SUPERCAPACITORES
Los supercapacitores,
también llamados ultracapacitores, o
supercondensadores, son componentes
pasivos que presentan valores de capacidad de miles de Faradios. Para quienes hemos trabajado con capacitores
convencionales, estábamos habituados a usar la unidad Faradio siempre
acompañada de los prefijos nano, pico o micro, ya que el Faradio es una unidad muy grande, que no se
lograba con las técnicas de la época. Por otro lado, la segunda sorpresa es que
estos supercapacitores tienen una tensión de trabajo máxima de unos pocos
voltios (Fig.1).
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Fig.
1 – Un supercapacitor. Mucha capacidad, pero poca tensión.
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Capacitores
convencionales no-eléctrolíticos
Los capacitores convencionales, no electrolíticos están
formados por dos placas metálicas, con un dieléctrico sólido en el medio, como
mica, cerámica, poliester, etc.
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Fig.2
– El capacitor convencional no- electrolítico.
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Aplicando
una tensión contínua entre ambas placas, que eran originalmente neutras, se
produce un desplazamiento de electrones desde la placa que se conectó al positivo
de la tensión aplicada, hacia la placa que se conectó al negativo. De este
modo, al retirar la tensión aplicada cada placa queda cargada con la misma
carga, pero de signo contrario. Las moléculas del dieléctrico se orientan en el
sentido del campo eléctrico, como se muestra en la Fig.2 .
La
capacidad de este capacitor viene dada por la expresión conocida:
C = ε S / d [1]
Donde C es la capacidad, ε la constante dieléctrica, S la superficie de cada
placa y d la distancias entre ellas.
Por
otro lado, la relación entre la carga, la tensión y la capacidad, recordemos
que estaba dada por:
C = Q/V [2]
Donde
C es la capacidad, Q es la carga de cada
placa y V es la tensión entre las placas.
La
energía almacenada en un capacitor viene dada por:
E = (½) CV ² [3]
Donde E es la energía almacenada, C la capacidad y V la tensión entre las
placas del capacitor.
Estas
ecuaciones siguen siendo válidas para los supercapacitores.
Capacitores convencionales
electrolíticos
Los capacitores electrolíticos pueden ser de tres tipos: 1) Los
capacitores electrolíticos de aluminio;
2) Los capacitores electrolíticos de tántalo y
3) Los capacitores electrolíticos de niobio.
Todos los capacitores
electrolíticos son polarizados y su ánodo (+)
está hecho de un metal que forma una capa de óxido aislante por medio de
la anodización. Esta capa de óxido actúa como dieléctrico del
capacitor electrolítico. Un electrólito no sólido o
sólido cubre la superficie de esta capa de óxido, sirviendo como el
segundo electrodo (cátodo) (-) del capacitor.
Debido a su muy delgada capa de óxido
del dieléctrico y a la gran superficie del ánodo, los capacitores
electrolíticos tienen un producto capacidad tensión (CV) mucho mayor que los
capacitores convencionales no electrolíticos, para igual volumen, aunque mucho
menor que los supercapacitores. Ver ecuaciones [1] y [2].
Los capacitores electrolíticos de aluminio son
capacitores polarizados, cuyo electrodo anódico (+) está hecho de una lámina de
aluminio puro, con recubrimiento de una capa aislante muy fina de óxido de
aluminio obtenido por anodización, que actúa como el dieléctrico del capacitor.
Un electrolito no sólido cubre la superficie rugosa de la capa de óxido,
sirviendo en principio como el segundo electrodo (cátodo) (-) delcapacitor. Una
segunda lámina de aluminio llamada "lámina de cátodo" entra en
contacto con el electrolito y sirve como conexión eléctrica al terminal
negativo del capacitor (Fig.3).
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Fig.3 – Capacitor electrolitico de Aluminio
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Supercapacitores de doble capa
En inglés conocidos con la sigla EDLC
(Electric double-layer capacitor). En la Fig.4 se muestra una representación esquemática
del supercapacitor doble capa. Consiste en dos placas metálicas lisas, pero
recubiertas de carbón activado, que tiene una superficie muy porosa, llena de
minúsculas cavernas, que permiten que los iones de un electrolito líquido
penetren en ellas, aumentando enormemente la superficie de contacto entre
dichos iones y el carbón activado, que ha pasado a formar parte de las placas
de los capacitores que se forman entre los iones y dichas placas.
Se forman de esta manera dos capacitores: uno de ellos entre el carbón que
recubre a la placa positiva y el otro con el carbón que recubre a la placa
negativa. Cada uno de estos capacitores se dice que constituye una capa y la
capacidad total del supercapacitor será igual a la capacidad serie equivalente
de ambas capas.
Pero si observamos la ecuación [1], veremos que la capacidad
de cada uno de los capacitores de cada capa habrá aumentado enormemente, debido
al aumento enorme de S. Y también
habrá disminuído d, debido al íntimo
contacto entre los iones del electrolítico y el carbón activado.
La
membrana deja pasar los iones a través de ella, pero evita que se produzca un
contacto eléctrico entre las placas metálicas de los capacitores, lo que daría
lugar a un cortocircuito.
Estos capacitores, si bien nos proporcionan valores de
capacidad muy elevados, solo disponen de tensiones muy bajas, debido a que con
tensiones mayores de unos 3 voltios, el electrolito se descompone.
La gran ventaja de estos capacitores para almacenar
energía, es la rapidez con que se cargan y descargan, comparados con una
batería. Si bien la cantidad de energía que pueden almacenar, a igualdad de
peso con respecto a una batería, es menor, cuando se trata de entregar mucha
energía en tiempos muy cortos, no les gana nadie.
Entonces se trata de combinar el uso de estos capacitores
con las baterías, haciendo que estos cubran los picos de demanda de energía y
las baterías suministren la energía de base.
Como la potencia es energía entregada por unidad de
tiempo, cuando la medimos en vatios (W), es energía medida en Joules entregada
en 1 segundo. Entonces se dice que la potencia disponible de los
supercapacitores es muy grande y se publican datos comparativos como los
mostrados en la Fig.
5.
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Fig.4
– Representació esquemática del supercapacitor doble capa y el circuito
equivalente.
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La gran ventaja de estos capacitores para almacenar
energía, es la rapidez con que se cargan y descargan, comparados con una
batería. Si bien la cantidad de energía que pueden almacenar, a igualdad de
peso con respecto a una batería, es menor, cuando se trata de entregar mucha
energía en tiempos muy cortos, no les gana nadie.
Entonces se trata de combinar el uso de estos capacitores
con las baterías, haciendo que estos cubran los picos de demanda de energía y
las baterías suministren la energía de base.
Como la potencia es energía entregada por unidad de
tiempo, cuando la medimos en vatios (W), es energía medida en Joules entregada
en 1 segundo. Entonces se dice que la potencia disponible de los
supercapacitores es muy grande y se publican datos comparativos como los
mostrados en la Fig.
5.
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Fig.5
– Comparación de 3 tecnologías de almacenamiento de carga eléctrica: a) Batería
de plomo/ácido;
b)
Ultracapacitor; c) Capacitor convencional. Cortesía de http://www.maxwell.com/ .
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Durante la carga del supercapacitor los iones positivos
del electrolito son atraidos hacia la placa negativa recubierta de carbono
activado y los iones negativos hacia la placa positiva. Durante la descarga los
iones se alejan de la superficie del carbón, ya que los electrones de la placa
negativa circulan a través de la resistencia de carga hacia la placa positiva,
haciéndose ambas placas cada vez más neutras y dejan de atraer a los iones,
alejándose estos del carbón y reconbinándose entre ellos. Fig. 6.
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Fig.6
– Sintesis esquemática de la carga del supercapacitor desde una batería y la
descarga a través de una resistencia de carga. En la imagen de la izquierda el
supercapacitor se carga y los iones se acercan a los electrodos. En la imagen
del medio, la batería está cargada y en la imagen de la derecha la batería se
descarga a través de la resistencia y los iones se alejan de los electrodos.
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Pseudocapacitores
En los supercapacitores de 2 capas, como vimos, todo el proceso de carga y
descarga se produce por medio de la electrostática, aplicándose la ley de
Coulomb. En el proceso de carga y descarga de una batería (http://ow.ly/hTc530dFFGK), en cambio,
hay procesos redox involucrados, es decir de reducción y oxidación, en los
cuales se ceden electrones y se ganan electrones por parte de los elementos químicos
involucrados.
En los pseudocapacitores hay procesos redox, al igual que en una batería. Algunos
autores consideran a los pseudocapacitores como un tipo de supercapacitores. Otros,
en cambio, los consideran como algo separado.
Cuando en un capacitor se producen simultaneamente los principios de los supercapacitores
de doble capa y de los pseudocapacitores, algunos hablan de supercapacitores
mixtos.
Estas diferencias de criterios crean confusión.
Referencias
http://escholarship.org/uc/item/68m070mj#page-26
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