🌹 🤙🏿 👎🏾 ¿Qué causa las diferencias entre baterías y supercondensadores? 🈹 👏🏻 🧔🏾

Hoy en día, las fuentes de energía electroquímica se usan en todas partes y tienen características distintivas: capacidad o la cantidad de energía almacenada, así como energía, o la capacidad de transferir o acumular rápidamente esta energía (descarga / carga a altas corrientes). Además, la seguridad y la longevidad son muy importantes para las baterías. En esta publicación, le diré cómo las baterías y los supercondensadores difieren a nivel químico, y cómo esto afecta sus características técnicas.

Comenzaré con las baterías. Hoy en día, las baterías de iones de litio y de hidruro de níquel-metal (NiMH) se usan con mayor frecuencia, pero las baterías de iones de litio están reemplazando gradualmente a NiMH por varias razones. En primer lugar, las baterías de iones de litio consumen más energía. Esto se debe al hecho de que, en comparación con los electrolitos alcalinos NiMH, que limitan el voltaje de la celda a 1.2 V, los electrolitos de las baterías basadas en carbonato de iones de litio proporcionan un voltaje de 3V. Y esto significa que se necesitan menos celdas para lograr un cierto voltaje, así como tamaños más compactos, lo cual es simplemente necesario para los dispositivos electrónicos portátiles modernos. Y, lo más importante, en comparación con NiMH, que utiliza aleaciones con metales de tierras raras, las baterías de iones de litio contienen materiales más baratos.

El funcionamiento de las baterías de iones de litio es el siguiente: los iones de litio están incrustados en el material en capas del ánodo (con mayor frecuencia de grafito) o cátodo (óxidos de metales de transición) durante la carga y descarga. La capacidad está determinada por la cantidad de litio incorporada en los electrodos, y si la capacidad, como se mencionó anteriormente, las baterías de iones de litio son buenas, entonces con potencia (esta es la capacidad de la batería de cargarse y descargarse rápidamente a altas corrientes, por ejemplo, durante la aceleración y el frenado regenerativo en vehículos eléctricos) No es tan simple. Por ejemplo, cuando se carga demasiado rápido, los iones de litio no tienen tiempo para integrarse en cristales y formar cadenas de litio metálico (dendritas) en el ánodo, lo que puede provocar un cortocircuito, especialmente a baja temperatura. Una descarga demasiado rápida puede destruir el cristal de cátodo y provocar un envejecimiento prematuro de la batería.

¿Qué determina la energía de la batería? La potencia de la batería depende de varios parámetros: la conductividad del electrodo, que consiste en el material activo y los aditivos, la velocidad de los procesos electroquímicos que tienen lugar en los materiales activos, así como la conductividad iónica del electrolito. Para mejorar de alguna manera la potencia de las baterías de iones de litio, si están destinadas a ser utilizadas a altas corrientes, los fabricantes crean electrodos especiales y más delgados: contienen menos material activo, pero más aditivos de carbono. Como resultado, la conductividad del electrodo aumenta, pero, por desgracia, al disminuir la cantidad de material activo, la capacidad también disminuye. Además, incluso si dicha tecnología mejora la conductividad de los electrodos, uno no debe olvidarse de otros parámetros que afectan la potencia, especialmente la incorporación lenta de litio en los cristales (dificultades de difusión),que esta tecnología no afecta de ninguna manera.

Pero aquí los nanomateriales nos ayudan: para integrarse en el nanocristal, el litio no necesita moverse largas distancias, por lo que la intercalación es mucho más rápida.

Pero, por desgracia, los nanomateriales también tienen desventajas, en particular, su mayor reactividad química, que reduce la vida útil de la batería. En general, al tratar de mejorar uno de los parámetros de la batería, todos los demás a menudo empeoran.

Pero si la batería todavía necesita funcionar a corrientes muy altas, en las que ni el método de producción de los electrodos ni la estructuración de materiales activos ayudan, el supercondensador viene al rescate. El supercondensador a primera vista se parece a una batería: también tiene dos electrodos colocados en un electrolito. Pero esto es solo a primera vista. De hecho, el supercondensador almacena energía en forma de una capa de iones que se adhieren a la superficie de los electrodos (doble capa eléctrica). La capacidad de tales dispositivos depende directamente de la superficie del electrodo, y el carbón activado a menudo se usa como material activo. Dado que, a diferencia de las baterías de iones de litio, no hay reacciones redox en los supercondensadores y los iones no deben incrustarse en ninguna parte, la carga y descarga son mucho más rápidas,y los dispositivos en sí son más duraderos.

Pero, ¿por qué, teniendo una potencia tan notable, los supercondensadores no pueden usarse como fuentes de energía independientes en lugar de baterías? Pero el hecho es que el proceso de formar una doble capa eléctrica consume mucha menos energía que las reacciones redox, por lo tanto, a pesar del hecho de que los supercondensadores se acumulan y dan energía rápidamente, su cantidad es muy pequeña en comparación con las baterías. Además, los supercondensadores están sujetos a una fuerte autodescarga: si una batería cargada pierde varios por ciento de capacidad en un mes, entonces el supercondensador puede descargarse completamente durante este tiempo. Por lo tanto, los supercondensadores generalmente se usan junto con baterías que consumen energía y asumen el papel de una fuente de energía exclusivamente en cargas máximas.

La autodescarga es una caída de voltaje gradual en una fuente de energía electroquímica si está desconectada de la red. En las baterías de iones de litio, se asocia con la oxidación gradual del electrolito en el cátodo, como resultado de lo cual se liberan electrones que son utilizados por los materiales del cátodo para incorporar litio en su estructura (un proceso que ocurre durante la descarga). Como el electrolito se oxida lentamente, la autodescarga también es lenta. Pero el mecanismo exacto de autodescarga de los supercondensadores aún no se conoce, pero está asociado con los iones de electrolitos que entran en reacciones redox en la superficie de los electrodos.

Al final, vale la pena decir que también hay supercondensadores "pseudocapaces", que también se denominan supercondensadores electroquímicos, en los que tienen lugar procesos redox más intensivos en energía en la superficie de los materiales activos, pero la capacidad de dichos dispositivos es aún menor que la de las baterías, y también sufren de Fuerte autodescarga.

Fuentes:

Linden's Handbook of Batteries, cuarta edición,
IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol. 24, N ° 2, 2009
J. Electrochem Soc., Vol. 145, N ° 10, 1998
BE Conway, Supercapacitores electroquímicos: fundamentos científicos y aplicaciones tecnológicas, 1999

¿Qué causa las diferencias entre baterías y supercondensadores?

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