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¿Podrían los ultracondensadores reemplazar las baterías en futuros vehículos eléctricos?

¿Podrían los ultracondensadores reemplazar las baterías en futuros vehículos eléctricos?

Los ultracondensadores son increíbles. Pero, ¿podrían reemplazar de manera viable las baterías de los futuros vehículos eléctricos?

Los ultracondensadores tienen ventajas significativas sobre las baterías, después de todo, son mucho más livianos, más rápidos de cargar, más seguros y no tóxicos. Sin embargo, hay algunas áreas donde las baterías limpian el piso con ellas. Por ahora.

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Con las recientes adquisiciones de fabricantes de ultracondensadores por parte de Tesla, los ultracondensadores podrían estar a punto de deshacerse de las baterías como fuente de energía para los coches eléctricos.

¿Qué es un ultracondensador?

Los ultracondensadores, también llamados supercondensadores, condensadores de doble capa o condensadores electroquímicos, son un tipo de sistema de almacenamiento de energía que ha ido ganando popularidad en los últimos años. Se pueden considerar como un cruce entre un condensador ordinario y una batería, pero son diferentes de ambos.

Los ultracondensadores tienen una capacitancia muy alta en comparación con sus alternativas tradicionales, de ahí el nombre. Al igual que una batería, las celdas de ultracondensadores tienen un electrodo positivo y negativo separados por un electrolito. Pero a diferencia de las baterías, los ultracondensadores almacenan energía de forma electrostática (de la misma manera que un condensador) en lugar de químicamente como una batería.

Los ultracondensadores también tienen un separador dieléctrico que divide el electrolito, como un condensador. Esta estructura de celda interna permite que los ultracondensadores tengan una densidad de almacenamiento de energía muy alta, especialmente en comparación con un condensador normal.

Los ultracondensadores almacenan menos energía que una batería de tamaño similar. Pero pueden liberar su energía mucho más rápidamente, ya que la descarga no depende de que se produzca una reacción química.

Otro gran beneficio de los ultracondensadores es que se pueden recargar una gran cantidad de veces con poca o ninguna degradación (más de 1 millón ciclos de carga / descarga no es infrecuente). Esto se debe a que no ocurren cambios físicos o químicos cuando se recargan.

Por esta razón, los supercondensadores se utilizan a menudo en aplicaciones que requieren muchos ciclos rápidos de carga / descarga en lugar de un almacenamiento de energía compacto a largo plazo, como los paquetes de refuerzo para automóviles y los bancos de energía.

El material de electrodo más utilizado para ultracondensadores es el carbono en varias formas, como carbono activado, fibra de carbono, carbono derivado del carburo, aerogel de carbono, grafito (grafeno) y nanotubos de carbono (CNT).

¿Cómo cargar un ultracondensador?

Cuando se aplica un diferencial de voltaje a las placas positiva y negativa del capacitor, comienza a cargarse. Según Battery University, "esto es similar a la acumulación de carga eléctrica al caminar sobre una alfombra. Tocar un objeto libera la energía a través del dedo".

Algunos de los primeros ejemplos de esta tecnología se desarrollaron a fines de la década de 1950 en General Electric, pero no había aplicaciones comerciales viables en ese momento. Habría que esperar hasta la década de 1990 para que los avances en la ciencia de los materiales y la fabricación mejoren el rendimiento de los ultracondensadores y reduzcan su costo lo suficiente como para hacerlos comercialmente viables.

¿Cómo funcionan los ultracondensadores?

Como se mencionó anteriormente, los ultracondensadores funcionan entregando ráfagas rápidas de energía durante los períodos pico de demanda de energía, luego capturan y almacenan rápidamente el exceso de energía que de otro modo se podría perder.

Por esta razón, son un gran complemento para las fuentes de energía primaria, ya que se cargan y descargan de manera muy rápida y eficiente.

Si bien las baterías pueden contener una gran cantidad de energía, tienden a tardar horas en recargarse. Por el contrario, los condensadores, y especialmente los ultracondensadores, se cargan casi instantáneamente, pero solo pueden almacenar pequeñas cantidades de energía.

Por esta razón, los ultracondensadores son la solución perfecta cuando un sistema necesita cargarse rápidamente y no necesita almacenar electricidad durante largos períodos de tiempo. También pesan menos que las baterías, cuestan menos y generalmente no contienen metales tóxicos ni materiales nocivos.

¿Pueden los ultracondensadores reemplazar las baterías?

La respuesta a esta pregunta depende mucho de para qué se utilizarán. Hay ventajas y desventajas para cada uno. Como se mencionó anteriormente, las baterías tienen una energía densidad que los ultracondensadores.

Esto significa que son más adecuados para aplicaciones de mayor densidad de energía o cuando un dispositivo necesita funcionar durante largos períodos con una sola carga. Los ultracondensadores tienen una mayor poder densidad que las baterías. Esto los hace ideales para aplicaciones de alto consumo, como impulsar un vehículo eléctrico.

Como se mencionó anteriormente, los ultracondensadores también tienen una vida útil mucho más larga que las baterías. Una batería normal puede soportar 2000-3000 ciclos de carga y descarga, mientras que los ultracondensadores generalmente pueden soportar más de 1,000,000. Esto puede representar grandes ahorros en materiales y costos.

Los ultracondensadores también son mucho más seguros y considerablemente menos tóxicos. No contienen productos químicos nocivos ni metales pesados ​​y es mucho menos probable que exploten que las baterías.

Además, los ultracondensadores tienen un rango operativo mucho mayor que las baterías. De hecho, baten a las baterías en esta área, ya que pueden operar dentro de rangos de entre -40 hasta +65 grados Celsius.

Los ultracondensadores también se pueden cargar y descargar mucho más rápidamente que las baterías, generalmente en segundos, y son mucho más eficientes en la autodescarga que las baterías.

Muchos ultracondensadores también tienen una vida útil mucho más larga que las baterías. Algunas, como las células SkelCap, se pueden almacenar durante el tiempo 15 años a la vez con poca o ninguna disminución de capacidad.

Como ocurre con la mayoría de la tecnología, el principal impulsor de la aplicación de ultracondensadores es su relación costo-beneficio. Los ultracondensadores tienden a ser la opción más económica a largo plazo para aplicaciones que necesitan breves ráfagas de energía.

Sin embargo, las baterías son una opción mucho mejor para aplicaciones que requieren una corriente baja y constante a lo largo del tiempo.

¿Podrían los ultracondensadores reemplazar las baterías en los futuros autos eléctricos?

Como hemos visto, los ultracondensadores son los más adecuados para situaciones en las que se necesita mucha energía en un corto período de tiempo. En términos de autos eléctricos, esto significaría que tendrían ventajas sobre las baterías cuando el vehículo necesita ráfagas de energía, como durante la aceleración.

De hecho, esto es justo lo que Toyota ha hecho con el concept car Yaris Hybrid-R, que utiliza un supercondensador para su uso durante la aceleración.

PSA Peugeot Citroen también ha comenzado a emplear ultracondensadores como parte de sus sistemas de ahorro de combustible start-stop. Esto permite una aceleración inicial mucho más rápida.

El sistema i-ELOOP de Mazda también utiliza ultracondensadores para almacenar energía durante la desaceleración. La energía almacenada se utiliza luego para los sistemas de arranque y parada del motor.

Los supercondensadores también se utilizan para cargar rápidamente las fuentes de alimentación en buses híbridos a medida que van de una parada a otra.

Cuando la energía híbrida se usa únicamente para el rendimiento, cuestiones como el alcance y la capacidad de mantener la carga no son tan importantes, por lo que algunos fabricantes de alta gama, como Lamborghini, también están comenzando a incorporar motores eléctricos con supercondensador en sus híbridos .

Sin embargo, los ultracondensadores no son un sustituto de las baterías en la mayoría de los vehículos eléctricos, todavía. Es probable que las baterías de iones de litio sean la fuente de alimentación de referencia para los vehículos eléctricos en un futuro cercano o lejano.

Muchos creen que es más probable que los ultracondensadores se vuelvan más comunes como sistemas de regeneración de energía durante la desaceleración. Esta energía almacenada se puede reutilizar durante períodos de aceleración en lugar de reemplazos directos de baterías.

Sin embargo, según este estudio, también podrían tener aplicaciones en vehículos híbridos en lugar de baterías cuando, "la demanda de potencia es menor que la capacidad de potencia del motor eléctrico; cuando la demanda de potencia del vehículo excede la del motor eléctrico, el motor se opera para satisfacer la demanda de energía del vehículo y para proporcionar la energía para recargar la unidad de supercondensador ".

La investigación reciente sobre supercondensadores basados ​​en grafeno también podría conducir a avances en el uso de supercondensadores en automóviles eléctricos. Un estudio realizado por científicos de la Universidad Rice y la Universidad Tecnológica de Queensland dio como resultado dos artículos, publicados en elDiario de fuentes de energía yNanotecnología.

Propusieron una solución que consta de dos capas de grafeno, con una capa de electrolito entre ellas. Esta película resultante es fuerte, delgada y capaz de liberar grandes cantidades de energía en poco tiempo.

Estos factores son un hecho; después de todo, es un supercondensador. Lo que hace que este estudio sea diferente es que los investigadores sugieren que los nuevos ultracondensadores más delgados podrían reemplazar las baterías más voluminosas en los futuros vehículos eléctricos.

Esto también podría incluir la integración de ultracondensadores en paneles de carrocería, paneles de techo, pisos e incluso puertas, por ejemplo. En teoría, esto podría proporcionar al vehículo toda la energía que necesita y hacerlo considerablemente más ligero que los vehículos eléctricos a batería.

Un vehículo eléctrico de este tipo también se cargaría considerablemente más rápido que los vehículos actuales que funcionan con baterías. Pero, como todos los ultracondensadores, esta solución aún no puede contener tanta energía como las baterías estándar.

"En el futuro, se espera que el supercondensador se desarrolle para almacenar más energía que una batería de iones de litio y, al mismo tiempo, conservar la capacidad de liberar su energía hasta 10 veces más rápido, lo que significa que el automóvil podría funcionar completamente con los supercondensadores en los paneles de la carrocería ”, dijo el coautor del estudio, Jinzhang Liu.

"Después de una carga completa, este automóvil debería poder funcionar hasta 500km (310 millas) - similar a un automóvil de gasolina y más del doble del límite actual de un automóvil eléctrico ".

Parece que se avecinan tiempos interesantes. Mira este espacio.


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