Supercapacitores, usos y aplicaciones

Me da mucho gusto saludarte y saber que estas nuevamente por aquí o si es tu primera vez bienvenido o bienvenida. Hoy seguiremos con el apartado de capacitores (como ya te habrás dado cuenta por el título de esta lección), pues veremos un tipo de capacitor muy importante en el campo de la ingeniería y la tecnología por igual: los supercapacitores o supercondensadores.

De esta interesante familia de capacitores exploraremos desde su definición más básica, hasta aplicaciones y ejemplos; no obstante, para que entiendas mejor de que va el asunto, te dejo a continuación la tabla de contenidos, para que conozcas de manera más especifica que es lo que vas a aprender:

Tabla de contenido

¿Ya lo ves? Son varios puntos importantes que constituyen de manera completa a los supercapacitores, y que te van permitir conocer a fondo estos dispositivos.

El objetivo es simple: al final de esta lección debes tener la capacidad para manejar en su totalidad tanto de manera teórica como practica a los supercapacitores, complementando así tu conocimiento sobre los condensadores en general.

Sin más, ¡comencemos!

¿Qué son los supercapacitores?

Antes de pasar a la definición te dejo algunos nombres por lo cuales es conocido este tipo de dispositivo, quizá alguno ya lo hayas escuchado y te será más fácil relacionar este post en tu mente:

  • Supercondensadores (SC)
  • Ultra capacitores
  • Pseudocapacitores
  • Capacitores poderosos
  • EDC
  • Supercapacitores

La lista anterior son algunos de los nombres que recibe este dispositivo, perteneciente a la familia de los condensadores.

De manera sencilla, los supercapacitores están constituidos por pares de placas conductivas, las cuales se encuentran separadas por un medio aislante o dieléctrico. El funcionamiento de este componente es semejante al de un capacitor de mayor escala o alta capacidad, pero NO son iguales.

Quizá te estés preguntando: ¿Por qué son “súper” capacitores? ¿Qué diferencia existe con los condensadores normales? Pues el nombre “súper”, como bien sabes, indica que alguna característica sobresale enormemente, y en los supercapacitores nos indica que el componente tiene una capacitancia mucho mayor a la de un condensador normal, sobrepasando los 2,000 F (faradios) de capacidad. 😱

Además, otra característica que tiene este tipo de condensadores, es que se cargan y descargan en un tiempo cortísimo.  Interesante, ¿no? Y antes de revisar la historia de estos magnificos componentes, te dejo algunas opciones si deseas comprar este dispositivo.

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Un poco de historia

De manera histórica, los supercapacitores comienzan en el año 1957, ya que en este año fue patentado el primer supercapacitor, a manos del ingeniero eléctrico H.E. Becker. Becker patentó este tipo de condensador para la compañía General Electric (GE), la cual sigue siendo una compañía multinacional estadounidense de infraestructura, servicios financieros y comunicaciones.

Para crear este primer capacitor, el ingeniero Becker se basó en el principio de aumento de área de las placas, cambiando totalmente la cerámica entre las placas por un material principalmente poroso de carbono en disolución electrolítica, con el objetivo de aumentar la capacidad a través del aumento del área de las placas. Sin embargo, el primer supercapacitor comercial vio la luz hasta 1969, a manos de la compañía petrolera Standard Oil Of Ohio (SOHIO).

Este supercondensador comercial se caracterizaba por utilizar una interfaz de carbono entre las placas, en conjunto con una solución electrolítica de sal de tetralquilamonio, no obstante, estos primeros supercapacitores comerciales tenían serios problemas con la resistencia interna.

  • Para los años 80’s, se desarrolla el primer supercapacitor de 1 Farad, siendo útiles en muchos sistemas, como en los magnetoscopios y respaldos de memoria para las primeras computadoras.

La evolución de este dispositivo llega a su punto más álgido en 1991, ya que se empieza a utilizar una interfaz de dióxido de rutenio, logrando así una disminución drástica en la resistencia interna que caracterizaba a los primeros supercondensadores, haciéndolos muchos más rentables y siendo utilizados oficialmente como sistemas de almacenamiento de energía en campos como la automatización y automoción.

En la actualidad, los supercapacitores estás fabricados a base de carbono con un electrolito de metal alcalino. Panasonic y Maxwell Tecnologies son los principales fabricantes de estos componentes. Más adelante conocerás más en específico como se fabrica un supercapacitor.

Ahora que ya conoces que es un supercapacitor y la historia que hay detrás, es hora de que exploremos los principios de funcionamiento que rigen a este componente. En este apartado también veremos de que trata el término “pseudocapacitancia”, el cual está estrictamente ligado al propio principio de funcionamiento. ¡Vamos allá!

Principio de funcionamiento y pseudocapacitancia

En los supercapacitores podemos encontrarnos dos principios de funcionamiento o de almacenamiento:

  • Capacitancia dúplex o de doble capa (el cual se describió de forma breve anteriormente)
  • Y pseudocapacitancia

Dependiendo con qué tipo de supercondensador estemos trabajando, será el tipo de principio de funcionamiento. Más adelante veremos de forma más especifica la clasificación que existe dentro de los supercapacitores.

¿Qué es la pseudocapacitancia?

La pseudocapacitancia surge de la propia investigación hacía los supercapacitores y la necesidad de un nuevo modelo de almacenamiento de energía, ya que se descubrió que, con la capacitancia clásica, la mayoría de la acumulación de carga en los supercondensadores de carbono era resultado de una deficiencia eléctrica, la cual era producida por la interacción que existía entre iones metálicos con el carbono.

La pseudocapacitancia es un fenómeno que es dependiente de un voltaje, y debido a esto, la pseudocapacitancia se caracteriza por poseer una capacitancia variable que naturalmente debe ser manejada de manera adecuada; no obstante, los rangos de voltaje que los supercapacitores ocupan hace que el manejo de estos sea similar al de un condensador convencional, añadiendo un alto valor de capacitancia.

La diferencia principal que existe entre los supercapacitores con pseudocapacitancia y los supercapacitores de doble capa, es que en estos últimos la carga se almacena de manera electroestática, mientras que en los supercondensadores con pseudocapacitancia las cargas se almacenan de forma farádica, es decir, con la transferencia de carga entre un electrodo conductor y un líquido electrolítico.

Capacitancia dúplex o de doble capa

En este principio de almacenamiento de energía, el supercondensador está constituido de un electrodo y un líquido electrolítico. En esta configuración, si se aplica un voltaje, se crea una polaridad en el electrodo y en el líquido electrolítico, creando así en el supercapacitor dos capas de carga.

Prácticamente el principio de funcionamiento de este tipo de supercapacitores se basa en la alineación de cargas, causada por la configuración de electrones y iones tanto en el electrodo como en el líquido electrolítico.

El electrodo de estos supercondensadores está fabricado en carbono poroso, esto con el objetivo que la superficie tenga una amplia relación de volumen; lo anterior provoca que la carga eléctrica almacenada sea linealmente proporcional al voltaje aplicado y dependiendo también de la superficie del electrodo.

Ahora que ya conoces el principio de funcionamiento de los supercapacitores, es tiempo de que también conozcas los diversos tipos de supercapacitores que existen y sus principales características.

Tipos y clasificación de los supercapacitores

Los supercapacitores se clasifican dependiendo de los materiales que se utilizan para elaborarlos, ya que de esta manera se puede identificar con mayor facilidad las características de cada uno; más adelante veremos a detalle la fabricación de estos. Actualmente existen cuatro tipos de supercondensadores, y son los siguientes:

Supercapacitores electrolíticos de entrecaras de carbono de doble capa

En este tipo de supercondensadores, se utilizan como principales materiales de construcción el hidróxido de sodio y potasio, aunque se suele utilizar también el ácido sulfúrico. La disolución del supercapacitor se disocia en iones positivos de potasio, la cual ante presencia de tensión por el aumento de la atracción que existe entre las cargas, el supercondensador puede acumular una mayor energía eléctrica.

Supercapacitores no electrolíticos de entrecaras de carbono de almacenamiento de doble cara

Los supercapacitores que protagonizan esta clasificación están hechos principalmente como aerogeles, soles (dispersiones de partículas sólidas en un material líquido, estas partículas sólidas se encuentran en constante movimiento browniano), de carbón activado o nanotubos de carbono; vale la pena que recuerdes que la propiedad principal de un gel es que es un sólido con mucho líquido en su estructura.

Para que los soles sean formados, se necesita formar un oxido de metal en agua, para que después el sol se transforme en gel gracias a la deshidratación o un aumento en su pH. Al final, tenemos como resultado un material poroso homogéneo que tiene la característica de permitir una alta capacitancia, y esta última característica toma más fuerza si el sol es combinado con una interfaz de carbón activado o carbono. Este tipo de supercapacitores son capaces de alcanzar los 400 faradios de capacitancia.

Supercapacitores acuosos de óxido de doble capa con pseudocapacitancia redox

Estos supercondensadores están hechos de óxido de litio, dióxido de manganeso, dióxido de iridio, oxido de cobalto y dióxido de rutenio. Se sabe que este tipo de supercapacitores llegan una capacitancia de 400 faradios por gramo (sobre todo los que están hechos de óxido de rutenio).

Supercapacitores a base de polímeros conductores

Este tipo de supercondensadores están hechos de polímeros conductores, los cuales, son una sustancia orgánica que tienen la capacidad de conducir energía eléctrica de manera semejante a un metal. El polímero que más se utiliza es el politiofeno, aunque también suele utilizarse la polianilina y el polipirrol. Cabe destacar que este tipo de supercapacitores aún se encuentran en estudio, ya que no se sabe a grandes rasgos su poder capacitivo. Interesante, ¿no?

Fabricación

En general, los supercapacitores se fabrican con dos láminas de metal llamados colectores de corriente, los cuales están cubiertos por algún material que funcione como electrodo, ya sea carbón activado o carbono; estos electrodos se caracterizan por tener una superficie muy grande, y sirven como conector de alimentación entre el material del electrodo y los pines externos que tiene el supercondensador.

Los electrodos del supercapacitores no se encuentran independientes; estos se mantienen separados por una membrana permeable, la cual funciona como un aislante para proteger el supercondensador de un posible cortocircuito.

Posteriormente esta estructura se impregna con un líquido electrolito o viscoso. Este electrolito debe tener la característica de ser un conductor iónico, ya que servirá como conexión conductora entre los electrodos a través del separador aislante.

Finalmente, esta construcción es plegada en un contenedor o carcasa cilíndrica (aunque también suele utilizarse de forma rectangular); esta carcasa se encuentra herméticamente sellada, con el objetivo de que el comportamiento a través de toda su vida útil sea estable.

Sin embargo, como ya sabes, existen clasificaciones y distintos tipos dentro de los supercapacitores; dependiendo del tipo de supercapacitor con el que estés trabajando, serán sus características y su fabricación. Por ejemplo, en los supercapacitores no electrolíticos de entrecaras de carbono con almacenamiento de doble capa son fabricados como aerogeles o soles.

Dentro de los supercapacitores acuosos de óxido de doble capa con pseudocapacitancia se puede seguir el mismo modelo de fabricación de soles; sin embargo, también se puede fabricar por medio de la deposición de un óxido metálico, utilizando un proceso químico llamado electrólisis, que no es más que la separación de elementos de un compuesto por medio de la electricidad.

Ejemplo práctico: banco de supercapacitores

¿Recuerdas la lección de bancos de capacitores? Bueno, vale la pena recordarla y saber que puedes tener un banco de supercapacitores, capaces de ser instalados y manejados para suministrar energía a un sistema específico. Estos supercapacitores pueden estar tanto en serie o en paralelo.

Podemos calcular la capacidad nominal de un banco de supercapacitores mediante la misma propiedad de los capacitores normales, dependiendo si se encuentran en paralelo o en serie.

Supercapacitores en paralelo

Conexión de supercapacitores en paralelo

Cuando colocamos los supercapacitores en paralelo, podemos obtener un aumento de capacitancia en el sistema; sin embargo, si se tiene dos o más supercapacitores, tu banco jamás debe cargarse más allá del voltaje nominal del supercapacitor más pequeño. Es decir, si tienes dos supercapacitores de 2.4v y 3.0v respectivamente, no debes cargar el banco más allá de 2.4v.

Para determinar la capacitancia total del banco de supercondensadores en paralelo, lo único que tienes que hacer es sumar las capacitancias.

En el circuito anterior tenemos tres supercapacitores:

  • El primero supercapacitor (SC1) tiene una capacitancia de 7000uF, con un voltaje de carga máximo de 15v.
  • El segundo (SC2) tiene una capacitancia de 2F con un voltaje de carga máximo de 3.0v.
  • Por último, el tercero (SC3) tiene una capacitancia de 4000F, con un voltaje de carga máximo de 3.7v.

Para calcular la capacitancia total (CT) solo debemos sumar las capacitancias:

CT = 7000uF + 2F + 4000F

CT = 4002.007

Para calcular el voltaje total o de carga (VT) recuerda que es el menor valor de carga máxima, por lo que en este ejemplo sería de 3.0v

Supercapacitores en serie

Conexión de supercapacitores en serie

Cuando se colocan supercapacitores en serie, se gana mucho más voltaje funcional para aquellos proyectos que requieren mucha más tensión; sin embargo, se sacrifica un poco de valor de la capacitancia total que podría entregar el banco de supercapacitores.

Para calcular el voltaje total o de carga del banco de supercapacitores, solo basta con sumar cada valor nominal de tensión de cada capacitor. Mientras tanto, para calcular la capacitancia total (CT) de un banco de supercapacitores, debemos:

Formula de la capacitancia equivalente en un circuito serie de capacitores

En el circuito anterior tenemos dos supercapacitores en serie:

  • El primero (SC1) tiene una capacitancia de 300F con un voltaje nominal de 2.7v
  • Mientras que el segundo es de 200F con un voltaje de carga nominal de 3.0v.

Para calcular el voltaje de carga (VT) solo es necesario sumar los voltajes nominales de carga de cada capacitor:

VT=2.7v+3.0v

VT=5.7v

Para calcular la capacitancia total, utilizamos la fórmula que te enseñé más arriba con las capacitancias de cada supercapacitor:

Calculo de la capacitancia equivalente en la conexión de supercapacirores en serie

Como puedes observar, cuando tenemos un banco de supercapacitores en serie, ganamos voltaje, pero perdemos capacitancia; el nivel de perdida puede ser muy variable.

Reglas de los supercapacitores

Si, si hay reglas para el manejo de los supercapacitores, por si te lo habías preguntado anteriormente. Si sigues las reglas de manejo de un supercondensador, estos vivirán muy felices por muchísimo tiempo, pero si no…, ¡cuídate mucho!

⚠️ NOTA: Recuerda que el objetivo de este post es meramente informativo, si deseas practicar, por favor, solicita el apoyo de una persona experimentada en la materia para evitar cualquier incidente.

A continuación, te dejo algunas reglas que debes seguir:

  • Los supercapacitores JAMÁS deben ser cargados más allá del voltaje nominal que se indica, ¡jamás lo hagas! Si lo haces, puedes dañar la carcasa de tus componentes, llegando incluso a provocar un gran incendio o una explosión.
  • Al cargar un supercapacitor, debes tener cuidado con los niveles de carga, ya que una sobrecarga podría dañar tanto al capacitor como a la fuente de alimentación.
  • Una regla de oro en todo tipo de capacitores: NO INVIERTAS LA POLARIDAD, POR FAVOR; algunos supercapacitores tiene indicaciones especiales para esto. Si invierte la polaridad, podría descomponer por completo el supercondensador, llegando incluso a explotar.
  • En la descarga de un supercapacitor no toques las terminales, ya que te pueden quemar a través de una buena descarga eléctrica.

Y bueno, estas son las reglas más importantes que debes seguir al manejar un supercapacitor. Recuerda siempre tener a la mano guantes, lentes y botas de trabajo, además de un extintor, ¡por si acaso!

Aplicaciones

En los últimos años se han realizado muchas investigaciones en los supercondensadores y sus múltiples aplicaciones y características; lo anterior significa que sigue siendo un componente “joven” dentro de los campos de la ingeniería. Aun así, se han podido identificar muchas ventajas en el uso de los supercondensadores, ventajas que, a continuación, te mencionaré:

  • Gran rango de tensión.
  • Facilidad de mantenimiento.
  • Gran rango de voltaje.
  • Gran rango de temperatura de operación.
  • Alta rentabilidad y eficacia.
  • Valor de carga monitoreable.
  • Gran período de operación.
  • No presenta efecto memoria.
  • Alto rendimiento.
  • Puede manejar altos valores de corriente.
  • Es una buena alternativa para sustituir a las baterías.
  • No presentan elementos tóxicos en su estructura.

Además de las ventajas anteriores, un supercondensador llega a tener una vida útil cerca de veinte años, siendo un componente altamente capacitado para aplicaciones de periodos muy largos; no obstante, no olvides que la vida útil de un supercapacitor puede disminuir al aumentar su capacitancia.

Los primeros supercapacitores comerciales y rentables se utilizaron para la suavización de energía, además de tener una aplicación constante como fuente energética para motores robustos, como el de los tanques, barcos y submarinos.

Actualmente los reflectores del campo tecnológico están sobre los supercapacitores gracias a que son ideales para la actual Energía Verde, pues tienen la propiedad de absorber energía de manera eficaz y rápida; esta propiedad es aplicada en el freno regenerativo, sustituyendo a las pilas. Esto se ve mucho en los autos eléctricos.

Son ideales para aquellas aplicaciones que requieran una regulación eficaz de una energía suministrada específica, y una capacidad de almacenamiento de energía. Esto se puede ver en muchas arquitecturas de elevadores, en los cuales, los supercapacitores pueden suministrar energía sin tener la mínima necesidad de afectar la red eléctrica.

También ayuda a la estabilización de la tensión que suministra los paneles solares; en resumen, los supercapacitores muestran un apoyo energético gigantesco.

Una de las aplicaciones más impresionantes que tiene este componente es su almacenamiento de energía; los supercondensadores son utilizados en sistemas como memorias de computadora, relojes, camas y microelectrónicos de alta precisión, con el objetivo de mantener su funcionamiento durante días.

Si se sigue trabajando en esta aplicación, en algún futuro no muy lejano ya no existirán las baterías, sino solo supercapacitores. ¡Fascinante!

Si has llegado hasta aquí, ¡felicitaciones! Ahora sabes muchísimo sobre los supercapacitores, sobre sus características y los datos más relevantes de estos magníficos dispositivos. Como ya sabes, los supercapacitores tienen una función muy importante dentro de muchos sistemas, además de ser actualmente un punto de mira para las futuras aplicaciones de energía verde y, posiblemente, sustitución total de las baterías y pilas que hoy en día utilizamos, la mayoría muy contaminantes.

Antes de irme, y como ya es costumbre por aquí, te dejo algunos puntos muy importantes que vale la pena recordar en esta racha final. ¡Vamos allá!

  • Los supercapacitores son muy similares a los capacitores tradicionales; sin embargo, la gran diferencia radica en que estos manejan una mayor capacidad (capacitancia), llegando hasta los 5,000F.
  • Tienen origen en los años 50’s, pero no fue hasta los años 90’s donde se empezaron a crear supercapacitores más eficientes y rentables para aplicaciones de almacenamiento de energía.
  • El secreto de la potencia de estos componentes se encuentra en su principio de funcionamiento y de almacenamiento, este principio puede basarse en la doble capa o en la pseudocapacitancia.
  • Existen cuatro tipos de supercapacitores, y se clasifican dependiendo del material de construcción.
  • Uno de los beneficios más significativos, es que en su composición no tiene elementos tóxicos.
  • Debido a su función de carga y descarga a grandes velocidades, son ideales para resistir altos voltajes.
  • El supercapacitor tiene aplicación en almacenamiento de energía, apoyo energético, autos hibridos y suministro de energía.

Sin más, deseo de todo corazón que hayas aprendido mucho, y que te haya sido de gran ayuda esta lección. No olvides compartirlo a quien lo necesite.

¡Hasta pronto!

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Juan Carlos G.

Electrónica y desarrollo de software


Estudie Electrónica en la UNAM y me encanta hablar y publicar estos temas para ayudar a los demás a comprender ciertos temas que muchas veces son complicados de entender. Espero que este blog, el cual lo he dedicado a hablar de los Capacitores y productos relacionados a este componente, te sea de gran ayuda, amigo o amiga electrónica.

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