Gran parte del mundo actual depende de la carga de baterías: desde los miles de millones de dispositivos móviles del mundo hasta los coches, scooters y bicicletas eléctricas.
En el interior de estas baterías recargables, los iones pasan de un lado a otro para gastar la carga y luego se invierten para recargarlas.
Sin embargo, ahora, gracias a nuevos materiales llamados supercondensadores, podrían abrirse de par en par las puertas de este enorme mercado de baterías, convirtiendo un goteo constante de carga en un torrente de energía.
De hecho, en una investigación reciente científicos de la Universidad de Colorado en Boulder, Estados Unidos, proponen un nuevo modelo para estudiar la carga de energía en los supercondensadores, lo que ofrece a otros investigadores una forma mejor de estudiar cómo podría funcionar un paradigma de batería diferente.
DesarrolloAnkur Gupta, profesor adjunto de Ingeniería Química y Biológica de esa universidad, explica que en una batería típica hay electrones extra en circulación en forma de iones —partículas con un número de electrones distinto del que tiene la sustancia en su estado neutro—, lo que induce una carga positiva o negativa global.
Los iones se empaquetan en una pila y se hacen pasar a través de un material que elimina los electrones, que se convierten en corriente eléctrica al salir por el terminal de la pila.
Con el tiempo el suministro de electrones se agota y la pila muere. En una pila recargable, esos iones pueden recuperar electrones y volver al principio, listos para recibir nuevos electrones en un nuevo ciclo.
Pero un supercondensador es un nuevo concepto que combina el diseño de una batería con la física de un condensador.
Un condensador tiene dos capas de material conductor con un aislante (como, por ejemplo, vidrio) entre ellas. Este aislante hace que la energía se acumule a ambos lados, pero no la atraviesa. Los supercondensadores, dispositivos de almacenamiento de energía, dependen de la acumulación de iones en sus poros, tienen tiempos de carga rápidos y una vida útil más larga en comparación con las baterías comunes.
Los electrodos porosos mejoran la capacitancia de los dispositivos electroquímicos al maximizar el área de superficie, pero la relación entre el rendimiento del dispositivo y la estructura del material poroso sigue siendo poco conocida.
El estudio de laboratorio de Gupta presenta un modelo para predecir el transporte de electrolitos en redes complejas de poros delgados. “Derivamos las leyes de Kirchhoff modificadas y ecuaciones de circuitos equivalentes para el transporte de electrolitos en confinamiento cargado. Nuestro marco acelera los cálculos numéricos en seis órdenes de magnitud sin comprometer la precisión. Aprovechamos este modelo para investigar la influencia de las conexiones y la distribución del tamaño de los poros en la escala de tiempo de carga de las capas dobles eléctricas y predecir las relaciones estructura-propiedad. Estos hallazgos tienen potencial para mejorar el diseño de supercondensadores y permitir electrodos a microescala impresos en 3D para el almacenamiento de energía portátil y supercondensadores”, indica el científico.
“El principal atractivo de los supercondensadores reside en su velocidad”, afirma Gupta.
“¿Cómo podemos acelerar su carga y liberación de energía? Mediante un movimiento más eficiente de los iones”, apunta.
Efectos
Los hallazgos del descubrimiento modifican la ley de Kirchhoff, que ha regido el flujo de corriente en circuitos eléctricos desde 1845 y es un tema básico en las clases de ciencias de los estudiantes. A diferencia de los electrones los iones se mueven debido a los campos eléctricos y a la difusión; y los investigadores determinaron que sus movimientos en las intersecciones de los poros son diferentes de lo que se describe en la ley de Kirchhoff.
Antes de este estudio los movimientos de iones solo se describían en un poro recto. Gracias a esta investigación el movimiento de iones en una red compleja de miles de poros interconectados se puede simular y predecir en unos pocos minutos.
“Ese es el gran logro del trabajo —indica Gupta—. Encontramos el eslabón perdido”.
Gupta explica en un comunicado de la Universidad de Colorado en Boulder que su equipo utilizó los conocimientos existentes sobre el flujo a través de poros —como el estudio de la filtración de agua— y los aplicó al flujo de energía sobre un material poroso. También tuvieron en cuenta la ley de Kirchoff.
Con el nuevo modelo en la mano, el equipo espera que otros investigadores puedan seguir diseñando y probando nuevos supercondensadores. Gupta también espera que la contribución a este campo poco explorado ayude a los científicos de la energía a seguir mejorando nuestro futuro.
El descubrimiento es importante no solo para almacenar energía en vehículos y dispositivos electrónicos que se podrán cargar en minutos, sino también para las redes eléctricas, donde la demanda fluctuante de energía requiere un almacenamiento eficiente para evitar el desperdicio durante periodos de baja demanda y garantizar un suministro rápido durante la alta demanda.
Supercondensadores
Los supercondensadores poseen un rendimiento energético superior al de las baterías. Se utilizan para generar picos de potencia y se fabrican con materiales que no son tóxicos ni corrosivos, por lo que dan lugar a menos residuos.
Ventajas Menores tiempos de carga. Tal y como sucede con los condensadores tradicionales, los supercondensadores también necesitan de tiempo para su carga y descarga. Sin embargo, puede ser cuestión de minutos en vez de horas.
Más energía en menos tiempo. Un supercondensador almacena menos energía que una batería, pero entrega una mayor cantidad al consumidor en el mismo plazo.
Seguridad A diferencia de las baterías electroquímicas, que son inherentemente inestables frente a variables externas como la temperatura, estos dispositivos no pueden explosionar.
Servicio Apoyo energético. Atienden picos de demanda sin provocar sobrecargas en la red eléctrica, por lo que suavizan la energía y cubren interrupciones de suministro de corta duración.
Paneles solares y otras energías renovables. Los supercondensadores actúan como un estabilizador de tensión.
Vehículos. Además de ser una fuente de energía para el arranque de grandes motores, pueden formar parte de frenos regenerativos en camiones diésel o locomotoras y también son compatibles con coches híbridos y sistemas de hidrógeno.
Fuente: Twenergy