Este tipo de condensadores tienen la capacidad de ejercer de puente entre las baterías y los supercondensadores; aspecto clave en el proceso de descarbonización de la economía en favor de la movilidad eléctrica y la generación sostenible basada en energías renovables, así como del Internet de las Cosas. En este artículo descubrirás cómo y por qué.

Dichos retos requieren de sistemas de almacenamiento que dispongan tanto de una gran densidad de energía y de potencia, así como una longeva ciclabilidad, sin olvidar, por supuesto, la seguridad y un coste de mercado competitivo.

En la actualidad, las soluciones existentes en el mercado son capaces de ofrecer grandes densidades energéticas (baterías de Li-ion) o grandes densidades de potencia y ciclabilidad (supercondesadores).

Desafortunadamente, las baterías y los supercondensadores son tecnologías complementarias. Es decir, la fortaleza de una es la debilidad de la otra, y viceversa, y no existe una solución integral que combine todos los requisitos que la mayoría de las aplicaciones demandan.

Esa es la razón de ser de los condensadores de Li-ion: la búsqueda del equilibrio entre los parámetros de energía, potencia y ciclabilidad.

Por un lado, las baterías almacenan la carga eléctrica mediante procesos químicos irreversibles, cinéticamente limitados por la difusión de los iones a través de las estructuras cristalinas de los materiales que participan en dichas reacciones. En consecuencia, permiten almacenar grandes cantidades de energía a baja potencia y a costa de tener un número finito de cargas y descargas.

Por otro lado, los procesos que rigen el almacenamiento de cargas en los supercondensadores se basan en procesos físicos de adsorción sobre la superficie de los materiales. Esto limita la energía almacenada, pero se puede disponer de ella incluso a regímenes inferiores al segundo, con una ciclabilidad casi infinita.

En este contexto, los condensadores de Li-ion nacen de la hibridación de las baterías de Li-ion y los supercondensadores, con el objetivo final de cerrar la brecha existente entre la energía y la potencia de ambas tecnologías.

El concepto es muy fácil de visualizar mediante un paralelismo con el atletismo. Las baterías serían los corredores de maratones, atletas de gran fondo físico que disponen de mucha energía a largo plazo.

Los supercondensadores serían los esprínteres de 60 metros, atletas muy explosivos de gran potencia, capaces de liberar cuantiosa energía en un espacio temporal muy breve.

Finalmente, los condensadores de Li-ion se asemejarían a los atletas de medio fondo, capaces de correr los 5000 metros lisos a unas velocidades muy elevadas, es decir, atletas que disponen de mucha energía que entregan a una elevada potencia durante bastante tiempo.

Sostenibilidad como aspecto clave

Pero no todo es energía, potencia y ciclabilidad. La sostenibilidad ambiental es un criterio indispensable para asegurar un futuro a las generaciones venideras.

Por eso, los condensadores de Li-ion desarrollados en el CIC energiGUNE se sustentan en carbones obtenidos de reciclar bio-residuos, con el objetivo de crear una tecnología con la menor imprenta ambiental posible. En concreto, los carbones que se han utilizado para el desarrollo de nuestro dispositivo se han obtenido a partir de reciclar huesos de aceituna, residuo que genera la industria del aceite de oliva, fomentando así la economía circular.

Mediante un proceso de carbonización del hueso de aceituna a alta temperatura (700ºC) se obtiene un carbón duro, que se utiliza como ánodo en el electrodo negativo. El carbón duro almacena las cargas de manera faradaica, confiriendo energía al dispositivo.

El mismo carbón duro, mediante una posterior activación química, se convierte en un carbón activado, con un área de superficie especifica que puede llegar hasta los 3000 m² g^-1. El carbón activado se utiliza como cátodo en el electrodo positivo y almacena las cargas eléctricas de manera capacitiva, confiriendo potencia al dispositivo.

Gracias al hecho de que el dispositivo esté formado solamente por carbón implica una reciclabilidad total.

Sin embargo, no todo son ventajas.

El peaje que hay pagar por desarrollar un dispositivo exclusivamente basado en carbón es la ausencia de los iones en el sistema para almacenar las cargas eléctricas. Es decir, nuestro condensador de Li-ion, no tiene iones de Litio.

En aras de solventar esta paradoja, hemos desarrollado una sal de litio que denominamos “sal sacrificial”. Dicha sal se descompone a 3.8 V .vs Li/Li⁺ dando iones de litio y gas CO₂ (en cantidades muy reducidas), que se evacua del sistema después de su generación.

Así, en la primera carga del sistema de almacenamiento, que va hasta los 4 V, los iones de litio liberados a raíz de la incorporación de la sal sacrificial en el electrodo positivo viajan al electrodo negativo donde se introducen en el carbón duro. Proceso que se da a la inversa cuando se descarga el dispositivo.

Y así, una y otra vez, durante cientos de miles de ciclos.

Hoy en día, los condensadores de iones de litio ofrecen entre 3-4 veces más energía que los supercondensadores a potencias similares, sin embargo, todavía tienen un largo recorrido por delante para acercarse a los niveles de energía de las baterías, que todavía son unas 5-10 veces superiores.

Por eso, aunque el mercado mundial de supercondensadores generó 3.270 millones de dólares en 2019, y se estima que alcanzará los 16.950 millones de dólares en 2027, en el caso de los condensadores de litio-ion el crecimiento que se estima en el mismo periodo es algo más contenido, de un 25% (Allied Market Research).

Aplicación de los condensadores de litio-ion en el mercado

Desde el punto de vista de mercado y trasferencia de tecnología, uno de los objetivos del CIC energiGUNE es contribuir a la competitividad de las empresas del entorno más cercano, aplicando los resultados en el mercado. En este contexto, hay muchas aplicaciones nicho en las que se sobredimensionan baterías o el nivel de potencia que se requiere de un supercondensador no es tan elevado, convirtiendo a los condensadores de li-ion en la solución ideal.

Por ejemplo, como soporte a las baterías del vehículo eléctrico, asistiendo en la recuperación de energía cinética durante el frenado (KERS) o en los picos de corriente generados en el arranque, o en el uso de sistemas auxiliares y conseguir así un almacenamiento más eficiente, duradero y de mayor autonomía.

También en energías renovables, como la eólica, donde se podrían aprovechar los picos de corriente generados por fuertes ráfagas de viento que la batería perderá por no llegar a esas corrientes. O la solar, donde aprovecharía hasta la más mínima corriente generada en condiciones de poca iluminación que la batería no puede absorber por no llegar a un umbral de voltaje.

Aparte de las oportunidades en los grandes mercados como son la movilidad eléctrica urbana y el almacenamiento estacionario en renovables, existen multitud de aplicaciones como la movilidad vertical, o el Internet de las Cosas donde una solución en base condensadores de Li-ion aportaría sencillez y viabilidad económica.

No en vano, Aurea mediocritas es el termino en latín que alude a la pretensión de alcanzar un deseado equilibrio entre los extremos y que Aristóteles asoció a posteriori a la virtud.

El desarrollo realizado en CIC energiGUNE en este ámbito puede suponer un interesante avance para aquellas empresas trabajan en el ámbito de los condensadores como Skeleton y Murata, así como para compañías vascas como Koneika, o Cegasa.

Seguro que en el futuro los condensadores de Litio-ion darán de que hablar, pues en el equilibrio esta la virtud.