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Supercapabaterías… ¿súper qué?

En esta ocasión vamos a resolver estas dudas y explicar los diferentes sistemas de almacenamiento y, en especial, cómo es que surge este dispositivo conocido como supercapabatería y cuál es su importancia

la ciencia en el país

Un prototipo desarrollado en el CICY.

Un prototipo desarrollado en el CICY.

CICY

Seguramente has escuchado hablar del término sistemas de almacenamiento energético, algunos ejemplos son: el de tu teléfono celular, de tu ordenador portátil y hasta el de un automóvil; y seguramente, también has escuchado e incluso dicho la expresión “me quedé sin carga”, “tengo la batería baja” o “el auto se descargó”, pero te has preguntado ¿Qué son y cómo funcionan estos dispositivos? En esta ocasión vamos a resolver estas dudas y explicar los diferentes sistemas de almacenamiento y, en especial, cómo es que surge este dispositivo conocido como supercapabatería y cuál es su importancia.

Para comenzar, hay que mencionar que existen dos sistemas de almacenamiento electroquímico de energía bien conocidos llamados: baterías y supercapacitores o capacitores electroquímicos. Una batería, es un dispositivo en el que el almacenamiento de energía ocurre mediante reacciones de oxidación y reducción. Este tipo de dispositivos están compuestos por dos partes metálicas, llamadas electrodos (ánodo y cátodo), cuentan con un electrólito y un separador. Cuando un metal se oxida, este cede electrones, mientras que el metal que se reduce los gana, esto es lo que llamamos el proceso de oxidación/reducción o proceso redox. Los electrones producidos son captados por el electrolito y transportados a un circuito externo, hasta que el metal que se oxida llega a su límite de oxidación. En este punto es cuando decimos que nos quedamos sin batería, pues ya no hay más oxidación del metal y, por lo tanto, ya no hay más producción de electrones. Para recargar una batería, conectamos el dispositivo a una fuente externa que proporcione los electrones necesarios para comenzar una “oxidación inversa” y regresar a los metales a su estado inicial, a este proceso se le conoce como ciclo de carga/descarga, y se puede realizar tantas veces como nos lo permita el material de los electrodos de las baterías, ya que, al realizar cada ciclo, estos se dañan y la eficiencia de ésta disminuye con el tiempo.

La principal característica de las baterías es su gran capacidad de almacenamiento energético (30-200 Wh/kg), sin embargo, estos dispositivos tienen una baja densidad de potencia (500 W/kg), es decir, que sin importar que almacenen mucha energía, su liberación se realizará en pequeñas cantidades, por lo que estos dispositivos son ideales para aparatos que requieran de un suministro de energía por periodos largos, pero con poca potencia, como los teléfonos celulares. Por último, las baterías suelen tener una vida cíclica relativamente baja de 500-2000 ciclos [1], es por lo que después de tener nuestro celular por varios meses, notamos que la batería ya no dura tanto como cuando el equipo era nuevo.

Uno de los investigadores del CICY.

Uno de los investigadores del CICY.

CICY

Para los dispositivos que requieren de una alta densidad de potencia para su operación, como el transporte público eléctrico, una batería no satisface sus necesidades, por lo que otro dispositivo de almacenamiento es requerido: los supercapacitores, los cuales se componen de dos electrodos en un electrolito, separados por una película delgada. Quizá te suene familiar, pues es la misma estructura que tiene una batería, lo que los hace diferentes son los materiales que se usan como electrodos y lo que ocurre en su interior. Por un lado, los materiales utilizados como electrodos en las baterías serán aquellos capaces de llevar a cabo las reacciones redox (reacciones faradaicas) de manera rápida y reversible. En cambio, los materiales de electrodos en supercapacitores serán aquellos capaces de almacenar energía electrostáticamente (no faraidamente), es decir, mediante la formación de la doble capa eléctrica separando cargas. Existen dos tipos de supercapacitores, por un lado, están los capacitores electroquímicos de doble capa eléctrica, los cuales almacenan energía mediante reacciones electrostáticas superficiales/casi-superficiales; y, por otro lado, están los pseudocapacitores, que involucran reacciones redox superficiales, en donde el almacenamiento de la energía ocurre por procesos capacitivos-faradaicos. Su característica principal es que pueden proporcionar una mayor densidad de potencia que las baterías (1-103 kW/kg) y que cuentan con una larga vida cíclica (>106 ciclos), pero con la gran desventaja de presentar una densidad de energía muy inferior a la de las baterías. De este modo, la energía liberada por un supercapacitor es suficiente para mover un autobús repleto de personas en su interior, pero su recarga será necesaria después de algunos segundos o minutos, por lo que tendría que pasar a una estación de suministro.

En la actualidad los requerimientos de los dispositivos de almacenamiento demandan que posean una alta densidad de energía, al mismo tiempo que una alta densidad de potencia y una larga vida cíclica, pero tales características no se han logrado en los dispositivos individuales, por lo que se ha recurrido a alternativas híbridas, dando como resultado una batería-supercapacitor, también conocido como supercapacitor híbrido, supercapacitor asimétrico o supercacabatería. Debido a que las baterías y los supercapacitores comparten configuraciones similares (ánodo, cátodo, electrolito, separador y colector de corriente) se hace posible la integración directa de la alta densidad de energía de las baterías y la alta densidad de potencia y larga vida cíclica de los supercapacitores [1].

En esencia, las supercapabaterías explotan ambos mecanismos de almacenamiento de carga, el capacitivo y el faradaico no-capacitivo a cualquier nivel del material del electrodo en un solo dispositivo, a manera de optimizar la densidad de energía tan alta como la densidad de potencia [2]. En dicha configuración de dispositivo híbrido, el electrodo similar a un capacitor, que tiene una amplia ventana de potencial, generará capacitancia a través de la doble capa eléctrica y/o pseudocapacitancia, dependiendo del tipo de material de electrodo que se esté utilizando, mientras que el electrodo similar a la batería contribuirá con el almacenamiento faradaico no capacitivo [3,4]. Normalmente los electrodos tipo batería son usados como electrodos positivos [2] mientras que los electrodos capacitivos son utilizados como electrodos negativos.

El diseño de Supercapabaterías.

El diseño de Supercapabaterías.

CICY

Se puede decir que la supercapabatería es un dispositivo que tiene la expectativa de formar parte de los sistemas de almacenamiento de energía que requieran una alta densidad de energía al mismo tiempo que una alta densidad de potencia. Sin embargo, se trata de un dispositivo que aún sigue en la etapa de investigación y el cuál tienen muchas oportunidades de mejora para poder llegar a su comercialización. Para eso es necesario que la atención de los investigadores e investigadoras se centre en la ruta de síntesis de los materiales a escala nanométrica que sea barato y amigable con el ambiente; en la combinación de nuevos materiales para la hibridación, en el desarrollo de electrolitos con gran conducción aniónica y que sean estables durante los ciclos de carga/descarga; y en el diseño del ensamblaje para hacerlos compactos y flexibles, al menor costo posible, para que de este modo puedan acoplarse a diferentes sistemas electrónicos de diferentes tamaños.

Finalmente, es importante destacar que aunque este texto está enfocado en dar a conocer a las supercapabaterías, todos los sistemas de almacenamiento de energía son muy importantes en la transición hacia un mundo descarbonizado, es decir, que mediante el uso de sistemas de almacenamiento energético es posible sustituir el uso de hidrocarburos y depender de las fuentes renovables y limpias, sin la emisión de gases de efecto invernadero, lo que realza aún más la importancia del desarrollo de las supercapabaterías.

Los autores agradecen al proyecto FORDECYT-PRONACES/21077/2020.

Referencias

[1] W. Zuo , R. Li, C. Zhou, Y. Li, J. Xia y J. Liu, «Battery-Supercapacitor Hybrid Devices: Recent Progress and Future Prospects,» Adavanced Science News, 2017.

[2] S. Balasubramaniam, A. Mohanty, S. Balasingam, S. Kim y A. Ramadoss, «Comprehensive Insight into the Mechanism, Material Selection and Performance Evaluation of Supercapatteries,» Nano-Micro Lett, 2020.

[3] M. Islam, S. Javed, M. A. Akram y M. Usman, «Metal/metal oxide thin film electrodes for supercapatteries,» de Advances in Supercapacitor and Supercapattery: Innovations in Energy Storage Devices, N. Arshid, M. Khalid y A. N. Grace, Edits., Amsterdam, Elsevier, 2021, pp. 175-192.

[4] Y. Gogotsi y R. M. Penner, «Energy Storage in Nanomaterials − Capacitive, Pseudocapacitive, or Battery-like?,» ACS Nano, 2018.

1 Centro de Investigación Científica de Yucatán, Unidad de Energía Renovable. Parque Científico Tecnológico de Yucatán, Carretera Sierra Papacal-Chuburná Puerto, Km 5, Sierra Papacal, Mérida, Yucatán, C.P. 97302, México.

2 Centro de Investigación Científica de Yucatán, Departamento de Divulgación, Calle 43 No. 130 entre 32 y 34. Col. Chuburná de Hidalgo, C.P. 97205 Mérida, Yucatán, México.

*email: dpacheco@cicy.mx