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Un bancal de supercapacitadores para uso espacial. (ESA)
Los investigadores han conseguido resolver el problema fundamental que impide que los supercondensadores se conviertan en una forma de almacenamiento energético rápido y eficaz
Un equipo de investigadores asegura haber desarrollado una nueva tecnología que puede traernos sistemas de almacenamiento de energía capaces de cargar completamente un ordenador portátil o un teléfono en un minuto o un coche eléctrico en 10. Los científicos dicen haber descubierto el "eslabón perdido" que hace más eficientes a los supercondensadores, sistemas de almacenamiento de energía que pueden resistir frecuentes ciclos de carga y descarga a alta corriente y hacerlo muy rápidamente.
Históricamente, los supercondensadores siempre han tenido menos capacidad de almacenamiento energético que las baterías de litio. Se dice que de media las baterías de iones de litio pueden almacenar diez veces más energía, lo que les ha hecho convertirse en la manera más común de alimentar aparatos que van de pequeños dispositivos a transportes eléctricos tan grandes como un camión. Sin embargo, a favor de los supercondensadores está el hecho de que se cargan 10 veces más rápido que las baterías de litio.
El descubrimiento de los científicos de la Universidad de California, en Boulder (EEUU), rompe un paradigma sobre el movimiento de los electrones que lleva vigente desde 1845. Se trata de la ley de Kirchhoff, un principio que ha lastrado la posibilidad de convertir a los Supercondensadores en un sistema de almacenamiento energético con utilidad comercial. Los investigadores acaban de presentar este avance en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Ése es el salto del trabajo», explica Ankur Gupta, ingeniero químico de la Universidad de Colorado en Boulder y líder de la investigación. «Hemos encontrado el eslabón perdido”.
Unos nuevos supercondensadores
Las baterías de iones de litio almacenan energía de forma química a través del movimiento de iones de litio (un átomo de litio que ha perdido un electrón, adquiriendo así una carga positiva). Esos iones van desde el ánodo (electrodo negativo) al cátodo (electrodo positivo) durante la descarga y viceversa durante la carga. Por otro lado, los supercondensadores almacenan energía físicamente en un campo eléctrico. Al cargar un supercondensador, los electrones se acumulan en una placa recubierta de un material poroso, normalmente carbón activado, creando un desequilibrio de carga que se traduce en energía almacenada. Cuando el supercondensador se descarga, los electrones fluyen de vuelta, igualando la carga.
Gupta y su equipo decidieron emplear sus conocimientos de ingeniería mecánica para analizar las limitaciones de los supercondensadores. En concreto, los investigadores se preguntaban si el movimiento de los iones en los supercondensadores era similar al de otros fluidos en entornos porosos similares.
"Dado el papel fundamental de la energía en el futuro del planeta, me sentí inspirado para aplicar mis conocimientos de ingeniería química al avance de los dispositivos de almacenamiento de energía. Me pareció que el tema estaba algo infraexplorado y, como tal, era la oportunidad perfecta", explica Gupta. "El principal atractivo de los supercondensadores es su velocidad. ¿Cómo podemos acelerar la carga y la liberación de energía? Mediante un movimiento más eficiente de los iones".
El equipo pensó que podría usar los modernos sistemas de modelado por ordenador para mejorar los sistemas de ingeniería que se usan para crear los supercondensadores y aumentar su capacidad de almacenamiento.
Modificando la ley de Kirchhoff
La ley de Kirchhoff es la que rige el flujo de corriente en los circuitos eléctricos. A diferencia de lo que ocurre con los electrones, los iones se mueven debido tanto a los campos eléctricos como a la difusión. Hasta ahora, los movimientos de los iones solo se habían estudiado a través de un poro recto, pero el equipo de Gupta ha ido más allá.
Sus análisis han determinado que los movimientos de los iones en las intersecciones de los poros son distintos de los descritos en la ley de Kirchhoff. Además, los investigadores han demostrado que el movimiento de los iones en una red compleja de miles de poros interconectados puede simularse y predecirse en pocos minutos. "Nuestro modelo de red proporciona resultados hasta seis órdenes de magnitud más rápidos", explican Gupta y sus coautores en el estudio, "permitiendo la simulación eficiente de una red triangular de cinco mil poros en 6 min".
El descubrimiento, aseguran los investigadores, es importante no sólo porque abre la puerta al almacenaje rápido y eficiente de energía en vehículos y dispositivos electrónicos, sino también para las redes eléctricas, donde hay fluctuación de la demanda de energía. El nuevo sistema, dicen, puede evitar el despilfarro durante los periodos de baja demanda y garantizar un suministro rápido durante los de alta demanda.
“El principal atractivo de los supercondensadores reside en su velocidad», explica Gupta. “Entonces, ¿Cómo podemos hacer que su carga y liberación de energía sean más rápidas? Mediante un movimiento más eficiente de los iones”.
