Supercondensadores vs baterías lo último | aplicaciones y funcionamiento de supercondensadores | miniaturización de supercondensadores | cálculo de energía almacenada en supercondensador

Batería supercondensadores 

Los supercondensadores funcionan de manera similar a un condensador normal, solo que los primeros ofrecen una capacitancia mucho mayor (funcionando de manera algo similar a una batería), pero poseen un a propiedad conocida como pseudocapacitancia, aunque puede ser tomada en cuenta como muy similar a la propiedad de un capacitor convencional, por lo cual volviendo a explicar el funcionamiento común de un capacitor, estos se conforman de pares de placas metálicas (alternando una con polaridad positiva y otra negativa) que se encuentran separadas por una capa intermedia de un medio no conductor de electricidad, conocido como dieléctrico (electrolito), todo esto permite almacenar la energía de manera estática, sin producir una reacción química como sí ocurre con las baterías.

Estructura interna de un supercondensador

Aplicación de supercondensadores a la industria de coches eléctricos

Por ser muy ligeros, empresas como Tesla y Lamborghini, han mostrado interés en incorporar a sus coches, los supercondensadores, ya que también la carga y descarga de los supercondensadores no dependen de reacciones químicas, como sí ocurre con las baterías, por lo tanto las baterías sufren un gran desgaste en lo que se refiere a aceleración y frenado instantáneo, los supercondensadores en cambio responden perfectamente a la aceleración ya que pueden entregar picos de potencia grandes de manera instantánea sin sufrir desgaste, y en cambio a lo que respecta a la absorción total de energía que se necesita en el mecanismo de freno regenerativo, estos supercondensadores igualmente trabajan sin ningún problema para captar esta grande densidad de energía en un pequeño instante, lo que igualmente va perjudicando a las baterías.

Banco de supercondensadores de auto eléctrico, puestos en serie y paralelo

Por el momento los condensadores, no son una respuesta inmediata para reemplazar a las baterías, ya que los primeros a pesar de ser una tecnología de almacenamiento de energía viable por su rápida carga, siguen teniendo la desventaja de almacenar menos energía que una batería propiamente, entonces en lo que se piensa es en una combinación de ambas tecnologías de capacitores y baterías, para que trabajen en conjunto, la batería aporta la mayor parte de la energía, y el condensador da una respuesta, para carga y descarga inmediata de una alta potencia instantánea. Sin embargo siguen los esfuerzos por innovar la tecnología de los supercondensadores, con el fin de que logren almacenar la misma cantidad de energía que una batería y quizás tal vez más. Por este motivo veremos un segundo ejemplo de las últimas innovaciones de supercondensadores, en donde se ve reducido el tamaño de los mismos.

Lo último el supercondensador más pequeño que existe (nano-supercondensadores)

Científicos en Alemania afirman haber logrado crear un condensador muy pequeño y que presenta el mismo voltaje que una pila AAA, pero con una corriente mucho menor (0.1 microamperios), su tamaño es un poco menos que un grano de polvo (0.001 milímetros cúbicos), y puede llegar a ser introducido en el cuerpo humano, ya que una principal aplicación es energizar pequeños dispositivos y sensores, que verifican el estado de la sangre, de los vasos sanguíneos, el pH, la detección de enfermedades, etc. Con respecto a esta última aplicación de estos nano-supercondensadores, se los conoce como bio supercondensadores, y que además para este caso aprovechan también las reacciones químicas del cuerpo para su funcionamiento, y poseen también celdas sensibles a la luz para así recargarlos.

En lo que respecta a su estructura se trata de nano-supercondensadores de forma tubular, y que obviamente se los puede poner a trabajar en conjunto, por ejemplo en una lámina transparente que los contiene, que es menor  a la yema del dedo, pueden caber sin problema hasta 90 de estos supercondensadores puestos en serie y en paralelo. Se trata de dispositivos electrónicos de escala submilimétrica.

Vista frontal del nano super condensador tubular, se ven sus capas

Y sin lugar a dudas al ser muy pequeños, tarde temprano lograrán por fin crear condensadores con la misma capacidad de almacenamiento que una batería, trabajando en conjunto muchos de estos condensadores de escala submilimétrica.

Cómo calcular la energía de un condensador

Con el fin de tener una idea de cuánta energía puede almacenar un capacitor en comparación a una batería mostrare como se puede hacer los cálculos de la energía que puede almacenar cada uno en función de su voltaje.

Se puede calcular la energía que almacena un condensador mediante la siguiente ecuación:

Ecuación de energía almacenada en capacitor

Donde W es la energía calculada en julios, C es la capacitancia en faradios y V es el voltaje en voltios. Poniendo como ejemplo un capacitor de 1 faradio, que alcanzó un voltaje máximo almacenado de 3 voltios, (he comprobado también el amperaje que entrega un capacitor de estas características, y es de aproximadamente 400 miliamperios aunque no se tomará en cuenta esto para el cálculo), el cálculo de la energía sería el siguiente:

W=0.5 x (1) x (3^2) = 4.5 julios

Se obtiene como resultado 4.5 julios de energía almacenada, ahora se procede a realizar los cálculos suponiendo que se logró almacenar un voltaje de 5 voltios:

W=0.5x(1)x(5^2)=  12.5 julios

Se observa que con un aumento de 2 voltios, la energía almacenada es más del doble, por lo cual se puede decir que la carga de un capacitor no es lineal, sino que varía de manera cuadrática de acuerdo al voltaje que almacena. 

Y finalmente para tener una idea de la energía que puede almacenar una batería multiplicamos la corriente de la batería que se consume en una hora, por el voltaje que entrega la misma (y haciendo también una conversión de horas a segundos):

Ecuación de energía almacenada en una batería

Entonces si tenemos una batería de 4 voltios con una capacidad de carga de 500 mAh, la energía almacenada será:

W=(0.5Axh)x(3600s/h)x4V= 7200 julios

Se obtiene una energía almacenada de 7200 julios, para el caso en que aumente el voltaje a 6 voltios la energía almacenada obtenida es de 10800 julios. 

Con esto se puede tener una idea del nivel alto de energía que es capaz de almacenar una batería en comparación a un capacitor de características similares, en lo que respecta a voltaje y corriente, pero el aumento de energía de un capacitor es cuadrático en comparación a una batería.

Referencias:

https://youtu.be/IC2MwodR3zA

https://newatlas.com/science/dust-sized-supercapacitor-voltage-aaa-battery/