La tecnología de los capacitores se está expandiendo más allá de la tarjeta de circuitos impresos, puesto que cree la demanda de una nueva generación de supercapacitores que sean capaces de ejecutar aplicaciones de almacenamiento de energía, lo cual complementa o incluso puede reemplazar las baterías en las aplicaciones, incluido almacenamiento de datos, dispositivos usables, automóviles eléctricos y redes inteligentes.
El mercado de los supercapacitores, también conocidos como supercaps, se proyecta a más del doble, con un aumento que llegaría a los $836 millones en 2018, desde los $466 millones en 2013, de acuerdo a Lux Research.
Los capacitores convencionales son ubicuos en los sistemas electrónicos actuales, con miles de millones de unidades enviadas cada año para virtualmente todos los mercados de aplicaciones y productos, desde computadoras y aparatos inalámbricos, hasta televisores y automóviles. Los capacitores, ampliamente utilizados para regular la energía, sostienen cargas eléctricas mediante el uso de pares de conductores que están separados por un aislante.
Si bien, en ocasiones, se comparan con las baterías, los capacitores y las baterías tienen diferencias básicas en cuanto a su composición y rendimiento, que hacen que cada tipo de dispositivo sea adecuado para diferentes usos. Los capacitores son componentes pasivos, que reúnen cargas eléctricas de los circuitos, las almacenan durante un breve lapso de tiempo y luego las liberan todas de una vez. Por el contrario, las baterías funcionan como fuente de energía para sistemas electrónicos. Las baterías almacenan energía eléctrica en celdas electroquímicas. Puede transportar grandes cantidades de cargas eléctricas por largos períodos de tiempo y pueden liberarlas lentamente.
Capacitores modificados
No obstante, la llegada de nuevos tipos de supercapacitores está volviendo difícil distinguir entre las tecnologías de los capacitores y de las baterías
Los supercapacitores pueden almacenar 100 veces más energía por volumen de unidad que los capacitores electrolíticos. También pueden cargarse y descargarse mucho más rápido que las baterías. Además, los supercapacitores pueden aguantar muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables convencionales.
Otras ventajas de los supercapacitores incluyen mayor densidad de potencia, una mayor capacidad de entregar potencia pico, menor tamaño y menos resistencia en serie equivalente (ESR) Finalmente, los capacitores tienen la capacidad de liberar su carga lentamente, al igual que las baterías convencionales.
Los supercapacitores actuales están hechos de carbono activo. Sin embargo, los investigadores están evaluando los materiales que ofrecen mayor rendimiento, como el carbono grafeno y carbono nanoestructurado. Los científicos también están desarrollando dispositivos para combinar características y tecnología de supercapacitores y baterías.
Los supercaps llegan para guardar los datos
Los supercapacitores están reemplazando a las baterías en aplicaciones donde se requieren altos niveles de energía para cortos lapsos de tiempo. Una de estas áreas es la energía de respaldo para el almacenamiento de datos. Esta aplicación saca el mayor beneficio de los supercapacitores, con un requerimiento medio o alto de niveles de corriente para duraciones breves.
Los productos específicos incluyen unidades de estado sólido (SSD) y sistemas de arreglos redundantes de discos independientes (RAID). Los sistemas RAID están diseñados para proteger los datos en caso de adversidad, como cortes de energía. Una interrupción en el flujo de electricidad puede causar la pérdida de la información almacenada en la memoria volátil.
Los adelantos en cuanto a memoria han hecho posible reemplazar las baterías con supercapacitores en aplicaciones con respaldo de energía RAID. Para ayudar a los ingenieros a desarrollar sistemas de respaldo RAID, Linear Technology Corp. ofrece un grupo de microchips que se pueden usar con un supercapacitor para implementar un sistema de respaldo RAID. La solución de Linear Technology está compuesta por un cargador de supercapacitor LTC®3625, un controlador PowerPath™ LTC4412 y un convertidor de CC/CC μModule® de salida doble LTM®4616.
Desde caps de hub hasta supercaps
El grafeno hace posible la creación de nuevos tipos de supercapacitores que se pueden utilizar en vehículos eléctricos (EV).
El Instituto Gwangju de Ciencia y Tecnología en Corea anunció que ha construido supercapacitores basados en grafeno que almacenan casi tanta electricidad como las baterías de iones de litio, pero se pueden cargar en tan solo 16 segundos. Este tipo de rendimiento es útil para recuperar la energía utilizada cuando se producen interrupciones, lo cual requiere una carga rápida.
Solución de red
La emergente tecnología de los supercapacitores también se puede aplicar a almacenamiento para las nuevas redes eléctricas inteligentes.
La generación de electricidad tanto solar como eólica crece rápidamente. No obstante, la naturaleza impredecible de este tipo de generación de electricidad está haciendo más difícil la adopción de estas fuentes de energías renovables. La solar solo genera energía cuando el sol brilla y la eólica funciona exclusivamente cuando está ventoso.
El almacenamiento basado en red puede aliviar este problema al depositar la energía renovable para uso en otro momento. Sin embargo, las baterías y los supercapacitores convencionales tienen limitaciones en términos de capacidad y velocidad de carga.
Los investigadores de la escuela de ingeniería de la Universidad Drexel han abordado este problema con el desarrollo de una tecnología que combina elementos de las baterías y de los supercapacitores.
El capacitor de flujo electroquímico (EFC) de Drexel consta de una celda electroquímica conectada a dos reservas electrolíticas externas, diseño similar al tipo de baterías de flujo que se utilizan en los vehículos eléctricos.
El diseño de EFC permite su construcción a una escala so suficientemente grande para almacenar grandes cantidades de energía, como una batería. Al mismo tiempo, permite un rápido consumo de la energía cuando la demanda lo exige, como un supercapacitor.
Grandes desarrollos en mocrocapacitores
El Instituto de Nanosistemas de California de la UCLA anunció que ha desarrollado un supercapacitor híbrido que muestra características tanto de las baterías como de los supercapacitores. El nuevo supercapacitor híbrido almacena grandes cantidades de energía, se recarga rápidamente y puede durar por más de 10,000 ciclos de recarga, según la UCLA. La UCLA también anunció una versión de la tecnología del microsupercapacitor.
Los componentes de la UCLA combinan grafeno gravado a láser (LSG) con dióxido de manganeso. LSG es capaz de almacenar una carga eléctrica, es altamente conductor y se puede cargar y recargar rápidamente. En el intertanto, el dióxido de manganeso es el mismo material que se utiliza ahora en las baterías alcalinas, debido a su capacidad de retener grandes cantidades de carga. El dióxido de manganeso además es barato y abundante.
El microsupercapacitor anunciado por la UCLA tiene un factor de forma compacto adecuado para uso en dispositivos usables o incluso implantables. El microsupercapacitor, a pesar de ser solo un quinto del espesor de una hoja de papel, puede guardar más del doble de la carga de una batería de litio de película delgada promedio.
Capacidad de cambio
Si bien muchas de estas tecnologías están en etapas tempranas de desarrollo, los supercapacitores podrían estar destinados a jugar un rol cada vez mayor en cuanto al almacenamiento de energía, complementando, aumentando o incluso reemplazando las baterías en diversas aplicaciones nuevas.