Según la clasificación de los métodos de almacenamiento de energía, las baterías de supercondensadores incluyen los condensadores eléctricos de doble capa (EDLC), los pseudocondensadores (PC) y los supercondensadores híbridos (HSC).
En este artículo, presentaremos los principios y materiales de electrodo de varios tipos de batería de supercondensadores, y resumiremos las aplicaciones y perspectivas de la batería de supercondensadores desde una perspectiva científica y tecnológica.
1.¿Qué es el almacenamiento de energía mediante baterías de supercondensadores?
La batería de supercondensadores, también conocida como condensador electroquímico, condensador eléctrico de doble capa, condensador de oro y condensador Farad, es un componente electroquímico desarrollado en las décadas de 1970 y 1980 que almacena energía mediante electrolitos polarizados.
Es diferente de la tradicional almacenamiento de energía química. Es una fuente de energía con propiedades especiales entre los condensadores tradicionales y las baterías. Se basa principalmente en dobles capas eléctricas y cargas redox pseudocapacitivas para almacenar energía eléctrica.
Sin embargo, durante el proceso de almacenamiento de energía no se produce ninguna reacción química. Este proceso de almacenamiento de energía es reversible, por lo que la batería de supercondensadores puede cargarse y descargarse repetidamente cientos de miles de veces.
Los detalles específicos de la construcción de la batería de supercondensadores dependen de la aplicación y el uso de la batería de supercondensadores. Estos materiales pueden variar ligeramente debido a los requisitos del fabricante o de la aplicación específica.
Todos los supercondensadores tienen en común que contienen un electrodo positivo, un electrodo negativo y un separador entre los dos electrodos. El electrolito rellena los poros separados por los dos electrodos y el separador.
Los supercondensadores se componen de materiales de electrodos porosos con una elevada superficie específica, separadores de batería porosos y electrolitos.
El separador debe cumplir las condiciones de tener una conductividad iónica lo más alta posible y una conductancia electrónica lo más baja posible, y generalmente es un material aislante electrónico con una estructura de fibra, como una película de polipropileno. El tipo de electrolito se selecciona en función de las propiedades del material del electrodo.
2. Principio del condensador de doble capa (EDLC)
Condensador de doble capa eléctrica (EDLC): El almacenamiento y la liberación de carga sólo se producen en la interfaz de la estructura de "doble capa eléctrica", y todo el proceso es un proceso físico (no se produce ninguna reacción química).
Por lo tanto, el EDLC tiene una gran estabilidad y una vida útil relativamente ideal. Durante el proceso de carga del EDLC, los aniones y cationes del electrolito se transferirán a las direcciones positiva y negativa del condensador, formando así una doble capa eléctrica adherida a la superficie del electrodo poroso.
En carga de la bateríaLos iones electrolíticos en el electrodo no pueden migrar al electrolito debido a la atracción mutua de cargas positivas y negativas en la doble capa eléctrica. Por lo tanto, se puede mantener una diferencia de potencial estable entre los electrodos positivo y negativo, realizando así el almacenamiento de energía eléctrica.
Cuando el EDLC se descarga, los electrones recogidos en el electrodo negativo son transferidos al electrodo positivo por la carga, y el equilibrio de la doble capa eléctrica entre el electrodo y el electrolito se rompe, y los iones del electrolito volverán al electrolito.
Esto es similar al mecanismo de los condensadores tradicionales, pero la distancia entre la doble capa y el electrodo es sólo el radio iónico, por lo que la capacitancia de los condensadores EDLC es mucho mayor que la de los condensadores tradicionales.
3.Clasificación del almacenamiento de energía en baterías de supercondensadores
- Capacidad eléctrica de doble capa
Se debe a la confrontación de cargas provocada por la disposición direccional de electrones o iones en la interfase electrodo/solución.
Para un sistema electrodo/solución, se forma una doble capa eléctrica en la interfaz entre el electrodo conductor electrónico y la solución electrolítica conductora iónica.
Cuando se aplica un campo eléctrico a los dos electrodos, los aniones y cationes de la solución migran a los electrodos positivo y negativo respectivamente, formando una doble capa eléctrica en la superficie del electrodo;
Una vez retirado el campo eléctrico, las cargas positivas y negativas de los electrodos entran en fase con los iones de carga opuesta de la solución. La atracción estabiliza la doble capa eléctrica y produce una diferencia de potencial relativamente estable entre los electrodos positivo y negativo.
En este momento, para un electrodo determinado, se generará una carga iónica opuesta igual a la carga del electrodo dentro de una cierta distancia (capa de dispersión), de modo que mantenga la neutralidad eléctrica;
Cuando los dos polos están conectados a un circuito externo, la carga en el electrodo se La migración de carga genera corriente en el circuito externo, y los iones de la solución migran a la solución para convertirse en eléctricamente neutros. Este es el principio de carga y descarga del condensador eléctrico de doble capa.
- Cuasicapacitancia de Faraday: Su modelo teórico fue propuesto por primera vez por Conway. Se trata de un espacio bidimensional o casi bidimensional en la superficie del electrodo y cerca de la superficie o en la fase masiva.
El material electroactivo se deposita por debajo del potencial y se produce una adsorción química altamente reversible. La desorción y las reacciones redox producen una capacitancia relacionada con el potencial de carga del electrodo.
En los cuasicondensadores de Faraday, el proceso de almacenamiento de cargas no sólo incluye el almacenamiento en la doble capa eléctrica, sino también la reacción redox entre los iones del electrolito y los materiales activos del electrodo.
Cuando los iones (como H+, OH-, K+ o Li+) en el electrolito se difunden desde la solución a la interfaz electrodo/solución bajo la acción de un campo eléctrico externo, entrarán en los óxidos activos de la superficie del electrodo a través de la reacción redox en la interfaz en la fase masiva, de modo que se almacena una gran cantidad de carga en el electrodo. Acerca de pila redox de vanadiomás información.
Durante la descarga, estos iones que entran en el óxido volverán al electrolito a través de la reacción inversa de la reacción redox anterior, y la carga almacenada se liberará a través del circuito externo. Este es el mecanismo de carga y descarga del cuasicondensador de Faraday.
4. Ventajas del almacenamiento de energía mediante baterías de supercondensadores
- Una capacitancia de nivel Farad en un volumen muy pequeño;
- No se requiere ningún circuito especial de carga ni de descarga controlada;
- En comparación con las pilas, la sobrecarga y la sobredescarga no repercuten negativamente en su vida útil;
- Desde el punto de vista de la protección del medio ambiente, es una energía verde;
- La batería del supercondensador se puede soldar, por lo que no hay problemas como un contacto débil de la batería.
5.Inconvenientes del almacenamiento de energía mediante baterías de supercondensadores
- Un uso inadecuado puede provocar fugas de electrolito y otros fenómenos;
- En comparación con los condensadores electrolíticos de aluminio, su resistencia interna es mayor, por lo que no pueden utilizarse en circuitos de corriente alterna.
6.La razón por la que la batería de supercondensadores es super
- Una batería de supercondensadores puede considerarse como dos placas de electrodos porosas no reactivas suspendidas en un electrolito. Cuando se aplica electricidad a las placas, la placa positiva atrae los iones negativos del electrolito y la placa negativa atrae los iones positivos. De hecho, se forman dos condensadores. En la capa de almacenamiento, los iones positivos separados están cerca de la placa negativa, y los iones negativos están cerca de la placa positiva.
- Las baterías de supercondensadores almacenan energía en cargas separadas. Cuanto mayor sea el área utilizada para almacenar cargas y más densas sean las cargas separadas, mayor será la capacitancia.
- El área de un condensador tradicional es el área de la placa plana del conductor. Para obtener una mayor capacidad de la batería, el material conductor se enrolla muy largo, y a veces se utiliza una estructura organizativa especial para aumentar su superficie. Los condensadores tradicionales utilizan materiales aislantes para separar sus dos placas, normalmente películas de plástico, papel, etc. Normalmente se exige que estos materiales sean lo más finos posible.
- El área de la batería de supercondensadores se basa en material de carbono poroso. La estructura porosa del material permite que su superficie alcance los 2000m2/g. Se puede conseguir una superficie mayor con algunas medidas. La distancia que separa las cargas de la batería de supercondensadores viene determinada por el tamaño de los iones del electrolito que son atraídos por los electrodos cargados. Esta distancia (<10Å) es menor que la que puede conseguirse con los materiales convencionales de las películas de los condensadores.
- La enorme superficie unida a la pequeñísima distancia de separación de cargas hace que la batería de supercondensadores tenga una capacidad electrostática asombrosamente grande en comparación con el condensador tradicional, por eso es "super".
7. Control de la descarga de supercondensadores
La resistencia de la batería de supercondensadores dificulta su descarga rápida. La constante de tiempo τ de la batería de supercondensadores es de 1~2s. Se necesitan unas 5τ para descargar completamente el circuito resistencia-condensador.
Es decir, tarda unos 5~10s en descargarse en un cortocircuito (debido a la estructura especial de los electrodos en realidad tardan varias horas en descargar completamente la carga restante).
La batería de supercondensadores puede cargarse y descargarse rápidamente, con una corriente máxima limitada sólo por su resistencia interna, e incluso los cortocircuitos no son mortales. De hecho, depende del tamaño de la celda del condensador. Para cargas equivalentes, las células pequeñas pueden soportar 10 A, y las grandes, 1.000 A.
Otra limitación de la velocidad de descarga es el calor. La descarga repetida a un ritmo violento aumentará la temperatura del condensador y acabará provocando un circuito abierto. Más información sobre los 10 principales productores de acumuladores de energía. fabricantes de acumuladores de energía.
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