"Els supercondensadores tenen un lloc especial en les aplicacions"
"Els supercondensadores tenen un lloc especial en les aplicacions"
Què és un condensador?
Cendón Ione: El condensador és, en definitiva, un sistema d'emmagatzematge d'energia format per dues plaques metàl·liques (elèctrodes) i un material dielèctric entre elles. Per això, les característiques del condensador vénen donades per dos factors principals: la quantitat d'energia que emmagatzema i la seva potència, és a dir, el temps que pot alliberar l'energia acumulada. Els condensadors convencionals no poden emmagatzemar molta energia, però el seu alliberament és molt ràpida, és a dir, són de gran potència.
Ritxar Aizpurua: Moltes aplicacions elèctriques, fins i tot tenint un consum bàsic, requereixen en un moment donat una gran potència. Llavors, per a donar resposta a aquesta demanda sobtada, existeixen dues opcions: instal·lar una potent font primària d'alimentació, que durant la major part del temps es perd de manera inútil o utilitzar un condensador. El condensador respon al pols instantani i es carrega entre els polsos. És, per tant, un dipòsit d'energia.
I què és el supercondensador? A quines necessitats respon?
I. S: Com hem dit, en algunes aplicacions es necessita una gran potència instantània, com per exemple en un cotxe elèctric, en pujar costes o avançar un altre cotxe. En aquest cas, tant la capacitat d'emmagatzematge com la disponibilitat de grans potències resultarien de gran utilitat. Aquestes són les característiques del supercondensador: és capaç d'emmagatzemar molta més energia que els condensadors convencionals i a més té una potència molt major que la bateria. Per tant, el supercondensador suma els avantatges de les bateries i els condensadors convencionals.
Quina diferència hi ha entre tots dos?
I. S: Una bateria té una potència específica de 1000 W/kg, aproximadament, el condensador convencional de 100.000 W/kg i el supercondensador de 10.000 W/kg. Cal tenir en compte que aquests números són estàndard i, per descomptat, de major potència, però serveixen per a tenir una referència. Energèticament, la bateria pot emmagatzemar entre 10-100 Wh/kg, el supercondensador entre 5-10 Wh/kg i el condensador convencional 0,01-0,1 Wh/kg.
Com emmagatzema el supercondensador tanta energia?
I. S: La càrrega acumulada per un condensador convencional pot augmentar-se augmentant la superfície dels dos elèctrodes i reduint la distància entre tots dos. Però no és un mètode molt pràctic, ja que per a algunes aplicacions seria necessari un condensador gegant.
Per a la fabricació del supercondensador s'utilitzen materials porosos, generalment carboni, en lloc d'elèctrodes metàl·lics, obtenint elèctrodes de gran superfície. En posar en contacte aquests elèctrodes amb un electròlit es forma una doble capa de càrrega elèctrica, és a dir, el carboni adquireix una càrrega positiva i l'electròlit una càrrega negativa. A causa de la gran superfície de la doble capa, s'acumula molta energia en aquest sistema, augmentant la capacitat del supercondensador amb la superfície de l'elèctrode.
Per tant, la funció de les plaques metàl·liques en els condensadors convencionals la compleix el carboni en el supercondensador?
I. S: Sí, i la funció del material interlaminar la compleix la doble capa que es forma en afegir l'electròlit. I amb una superfície tan gran de l'elèctrode, la capacitat augmenta enormement; en els condensadors convencionals la capacitat es mesura en picofaradas i en els supercondensadores en faradas, centenars de faradas o, com a màxim, en milers de faradas.
Quant a la potència, durant quant temps els supercondensadores poden alliberar energia?
R. A. Els condensadors convencionals poden alimentar el sistema en uns pocs mil·lisegons, i els supercondensadores en unes dècimes de segon o uns segons i en uns minuts com a màxim, mentre que les bateries poden durar hores, dies o setmanes.
Tots els supercondensadores són iguals?
I. S: No, depenent de la naturalesa de l'elèctrode, poden ser de tres tipus: carboni, òxid de metalls i polímers. No obstant això, els elèctrodes de carboni són els més utilitzats, ja que tots els que es venen en el mercat utilitzen els elèctrodes de carboni perquè són molt més estables que uns altres.
També es poden utilitzar electròlits aquosos o orgànics. Entre els aquosos, s'utilitzen generalment potassa i àcid sulfúric. No obstant això, no es poden utilitzar amb un potencial superior a 1,2 volts, ja que a partir d'aquí l'aigua es descompon. Això és important perquè l'energia que acumula és proporcional a la tensió. Per tant, els electròlits aquosos no poden emmagatzemar tanta energia com els orgànics.
Amb electròlits orgànics la tensió pot elevar-se fins a 2,3 volts. En aquest cas, nosaltres utilitzem el tetraetilamonioa-tetrafluoroborato en l'acetonitrilo. La resistència generada per aquestes molècules és major que la generada pels electròlits aquosos, per la qual cosa els orgànics tenen menor potència (requereixen més temps per a alliberar energia).
En teoria, hauríem de triar en funció de l'aplicació si requereix electròlit, potència o alta energia, però en la pràctica tots els supercondensadores que hi ha en el mercat tenen electròlits orgànics, ja que la diferència de tensió és molt elevada respecte als aquosos.
Aquest carboni està en forma de grafit?
I. S: No, perquè el grafit té una superfície específica molt baixa, inferior a 20 m 2 /g. Els elèctrodes fabriquen carboni actiu, amb una superfície aproximada de 2.000 m 2 /g. Sense aquesta superfície mínima no treballen correctament. A més, és important que la grandària dels porus sigui l'adequat, ja que els ions de l'electròlit han de poder penetrar en els porus.
Finalment, la qualitat ve donada per la gran superfície i per l'adequació del diàmetre del porus a la grandària de l'ió. Per això, des de CIDETEC s'estan investigant diferents materials de carboni (nanotubos, nanofibras, aerogeles, etc.) i els seus tractaments d'activació.
Quina és la font primària d'energia més adequada per als supercondensadores?
R. A. En l'actualitat existeixen nombroses tecnologies que poden utilitzar-se com a fonts primàries d'energia: generadors d'aire, panells fotovoltaics, piles de combustible, etc., però potser les més utilitzades de moment són les bateries. Cada dia hi ha millors bateries en el mercat, capaços d'emmagatzemar molta energia i oferir grans potències. Per exemple, les de liti iònic/polímer ja han millorat les bateries de Ni/Cd o NiMH que fins ara han estat referents. No obstant això, cada vegada són més cars.
Per tant, els supercondensadores es poden utilitzar amb bateries més barates, que acumulen gran quantitat d'energia, i encara que no poden respondre als polsos d'energia, per a això es poden utilitzar sistemes de supercondensador de bateries.
En quins sistemes es poden aplicar aquest tipus de solucions?
R. A. En els telèfons mòbils, per exemple, les bateries de Ni/Cd són molt utilitzades, ja que són adequades per a donar polsos. Els mòbils requereixen dos amperes de polsos molt curts però molt freqüents. No obstant això, també podrien utilitzar-se bateries de baixa potència si són capaces de carregar el supercondensador entre polsos. El condensador alliberaria polsos d'energia, sobretot en connectar-se o cridar al repetidor.
I. S: D'aquesta forma, a més, es facilita el treball de les bateries i es pot allargar la seva vida útil entre un 10 i un 20%.
Esteu provant aquest tipus de sistemes en CIDETEC?
R. A. Sí, aquest és un dels nostres objectius. Ja hem aconseguit alimentar un telèfon mòbil amb una pila de combustible, però amb l'ajuda del supercondensador, ja que la densitat de potència de les piles de combustible és bastant reduïda. D'altra banda, estem treballant en un sistema que uneix supercondensadores i bateries per a alimentar sistemes de polsos d'alta potència allunyats de la xarxa elèctrica. No obstant això, estem constantment buscant noves aplicacions per a l'ús de supercondensadores.
Destacaríeu altres aplicacions cridaneres?
R. A. L'exemple dels cotxes elèctrics és molt il·lustratiu per a comprendre l'ús de supercondensadores: per a avançar a un altre cotxe, pujar un pendent o accelerar bruscament, es pot utilitzar l'energia acumulada pel supercondensador. Així, la font primària d'energia no ha de ser molt gran, per la qual cosa el sistema és barat i lleuger. A més, aquest sistema pot ajudar a reduir el consum si utilitza l'energia de frenat per a carregar el condensador.
Quins problemes tenen aquests sistemes?
R. A. Per exemple, la descàrrega espontània és un gran problema. Els condensadors són vàlids quan s'usen però no són adequats per a emmagatzemar energia, si no alliberen energia perden amb el temps. Per tant, cal buscar-los les aplicacions adequades, en cas contrari, només donen problemes. Si estan en el circuit s'han d'utilitzar.
D'altra banda, el nivell de tensió dels supercondensadores és baix (1V-2,5 V) i han de connectar-se en sèrie per a obtenir tensions més altes i útils.
S'inventaran aplicacions; en molts articles s'ha escrit que els supercondensadores són una nova solució i ara cal buscar problemes amb aquestes solucions. Són útils en telèfons mòbils, cotxes, càmeres de fotos i molts altres dispositius. També poden utilitzar-se per a fer front a interrupcions de corrent en ordinadors, ja que poden proporcionar temps per a emmagatzemar la informació continguda en la memòria.
Buletina
Bidali zure helbide elektronikoa eta jaso asteroko buletina zure sarrera-ontzian