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domingo, 16 de julio de 2017

SUPERCAPACITORES



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 seunda sorpresa es que estos supercapacitores tienen una tensión de trabajo máxima de unos pocos voltios (Fig.1).

Fig. 1 – Un supercapacitor. Mucha capacidad, pero poca tensión.
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.

Fig.2 – El capacitor convencional no- electrolítico.
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).

Fig.3 – Capacitor electrolitico de Aluminio
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.

Fig.4 – Representació esquemática del supercapacitor doble capa y el circuito equivalente.
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.

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/ .

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.

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.

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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