Los más de 4600 artículos científicos relacionados con supercondensadores publicados a lo largo del 2020, sugieren que sin el desarrollo de un prototipo es imposible conocer el potencial real de los nuevos materiales en una tecnología.

Y es que en esos artículos, grupos de todo el mundo describen las mejoras que, tanto los distintos componentes (materiales activos, electrolitos, etc.), como las diferentes configuraciones, tienen en las prestaciones de dichos dispositivos. Sin embargo, la mayoría de estos estudios son difícilmente comparables entre sí, y llegado el momento, la mejora proclamada a escala de laboratorio no se traduce en una mejora en el dispositivo real.

Empresas como Skeleton que ha contado con la inversión de Innoenergy conocen bien la necesidad del prototipado para nuevos conceptos de supercondensadores.

Por eso, en CIC energiGUNE-BRTA hemos optimizado algunos de los parámetros más importantes en el prototipado de supercondensadores electroquímicos para conseguir el mayor rendimiento de cada uno de los componentes.

Características destacables de los supercondensadores

Los condensadores electroquímicos, comúnmente conocidos como ultracondensadores o supercondensadores, son dispositivos de almacenamiento de energía que acumulan la carga de manera electrostática en la interfase entre el electrodo y el electrolito. A diferencia de las baterías de ion litio, el almacenamiento de energía en los supercondensadores no implica ni procesos faradaicos ni la inserción-extracción de iones en la estructura, lo que les confiere una serie de ventajas frente a otro tipo de tecnologías de almacenamiento de energía.

El almacenamiento electrostático, restringido únicamente a la superficie del electrodo, y la ausencia de procesos de difusión en la estructura que ralentizan tanto la carga como la descarga y generan un gran estrés mecánico en los materiales, hace que estos dispositivos presenten valores elevados de potencia y unas estabilidades excepcionales, llegando a superar el millón de ciclos de carga y descarga sin que su capacidad de carga se vea alterada significativamente.

Gracias a estas propiedades, los condensadores electroquímicos ya se usan como fuente de energía principal en sistemas de backup de memoria, sistemas de arranque (start-stop), almacenamiento de energía generada en el frenado o en autobuses y tranvías urbanos.

Radiografía de un supercondensador

Los supercondensadores están formados por dos electrodos simétricos, generalmente un carbón con alta superficie específica y una óptima porosidad nanométrica y con una cierta conductividad electrónica. Estos electrodos están impregnados de un electrolito, generalmente no acuoso, y están separados por una membrana aislante permeable a los iones, que permite la difusión de los iones hasta la superficie de los electrodos, que evita que ambos electrodos entren en contacto y que se produzca un cortocircuito.

La densidad energética de dichos dispositivos viene determinada por la cantidad de carga que se pueda acumular en la superficie (capacitancia) y el voltaje de la celda. Y su potencia está relacionada con la rapidez que tengan los iones en alcanzar la superficie del electrodo y polarizarse, de la conductividad electrónica del electrodo, así de su contacto con el colector de corriente.

La importancia del prototipado a escala industrial

Numerosos grupos en todo el mundo investigan en el desarrollo de nuevos materiales y otros componentes con el objetivo de mejorar las prestaciones de los supercondensadores. Sin embargo, el testeo y evaluación de los distintos componentes, que se realiza generalmente por separado y a escala de laboratorio, se limita a conocer las propiedades de los materiales en términos relativos, y estos análisis no siempre son extrapolables a un escenario real. Por lo que, si se quiere conocer cuál es el impacto real de la incorporación de los nuevos componentes a esta tecnología, resulta imprescindible desarrollar un prototipo que permita evaluar algunas de los parámetros que no es posible hacer cuando se testean los electrodos de manera aislada.

Es el caso de una serie de parámetros raramente evaluados o, al menos, no optimizados en la mayoría de los estudios de supercondensadores a escala de laboratorio: la masa de material activo y su densidad en los electrodos, la cantidad de electrolito o la naturaleza del colector de corriente.

La cantidad de material en los electrodos resulta ser un parámetro fundamental. Muchos estudios recogidos en bibliografía incluyen medidas que utilizan electrodos con masas muy bajas. Esto es importante porque la resistencia se incrementa según aumenta el espesor de los electrodos por lo que la comparación entre electrodos con distintos espesores resulta injusta.

Los electrodos presentes en los supercondensadores comerciales pueden variar generalmente entre los 3 mg cm-2 a los 8 mg cm-2 dependiendo de las propiedades que se quieran potenciar. El uso de electrodos con bajas masas tiene un impacto importante en la densidad energética del dispositivo, ya que su relación frente a la masa de otros componentes inactivos presentes en el supercondensador (colectores de corriente, separador, carcasa…) hace que la energía total se vea penalizada en el dispositivo final.

Otro parámetro de una gran importancia es el grado de adhesión y el buen contacto entre el electrodo y el colector de corriente. Existen distintos tipos de colectores de corriente cuya superficie está tratada (recubiertos con carbón o generando una superficie más rugosa mediante tratamientos mecánicos y químicos) para conseguir mejorar no solo la adhesión y el contacto entre el electrodo y el colector de corriente sino también para minimizar la resistencia en la interfase y por lo tanto mejorar la transferencia electrónica y la potencia del dispositivo. Así mismo, la optimización de la formulación de las tintas de electrodos es fundamental para encontrar el mejor balance entre carga de material activo, adhesión y potencia entregada.

Tras la deposición de los electrodos es importante realizar un proceso de calandrado que mejore tanto el contacto entre partículas dentro del propio electrodo como al colector de corriente. Además, es imprescindible para conseguir espesores óptimos, ya que la densidad del electrodo es otro parámetro cuyo valor no se recoge de manera generalizada en la bibliografía, y que resulta determinante a la hora de obtener altos valores de energía por unidad de volumen.

La naturaleza y la cantidad de electrolito es otro parámetro que no se detalla en la mayoría de los estudios y que al igual que la carga de electrodo resulta de una gran importancia a la hora de evaluar el dispositivo completo.

Por último, pero no por ello menos importante, el sellado y la elección de materiales adecuados para la carcasa es fundamental para evitar que el electrolito se evapore y que la celda pierda propiedades a lo largo de los ciclos. Además, debe proporcionar la presión interna suficiente para el funcionamiento óptimo del dispositivo, especialmente a altas densidades de corriente.

La mayoría de los estudios sobre supercondensadores se realizan utilizando celdas tipo Swagelock o pilas de botón, y pocas lo hacen utilizando celdas optimizadas tipo pouch cells que incluyan varias capas de electrodos.

Solo mediante un desarrollo ingenieril optimizado de las celdas, y teniendo en cuenta estos parámetros, se puede conseguir que las mejoras identificadas en componentes individuales se trasladen al dispositivo final.

De esta manera y fruto de la colaboración entre el grupo de prototipado y la línea de supercondesadores de CIC energiGUNE hemos desarrollado recientemente un prototipo de condensador electroquímico. Este dispositivo fabricado en formato pouch cell de 25 F mejora las densidades de energía de algunos de los supercondensadores comerciales, pudiendo alcanzar los 4.8 Wh kg-1, ratificando la importancia del diseño y de la optimización de cada uno de los parámetros para la mejora real de estos dispositivos de almacenamiento de energía.

 

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