Cemento, negro de carbono, electrolitos y agua forman una receta simple para un nuevo supercondensador versátil

Si los recientes desarrollos en ciencia de materiales se concretan, nuestro mundo se verá como un lugar mucho diferente en solo unos pocos años.  En la última semana, no solo hay una lista creciente de científicos que intentan recrear y demostrar la validez de las recientes afirmaciones sobre un posible superconductor a temperatura ambiente y presión atmosférica llamado ‘LK-99’, sino que el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) también anunció un descubrimiento interesante propio.  Este sería un supercondensador rentable fabricado con materiales no exóticos.

¿Qué es un condensador?

Los condensadores son dispositivos que almacenan energía eléctrica acumulando un desequilibrio interno de carga eléctrica entre dos placas conductoras separadas por un aislante o dieléctrico.

¿Qué lo hace ‘super’?

Un supercondensador, también conocido como ultracondensador o condensador de doble capa, es un tipo de condensador que posee una capacitancia excepcionalmente alta.  Así es como los supercondensadores difieren de los condensadores estándar:

• Capacidad de almacenamiento: Los supercondensadores pueden almacenar una cantidad mucho mayor de carga eléctrica en comparación con los condensadores estándar. Esto se debe a la gran superficie de los electrodos y a la distancia extremadamente corta entre ellos, lo que permite almacenar más carga.
• Densidad de energía y potencia: Mientras que los condensadores generalmente tienen una mayor densidad de potencia (pueden entregar energía rápidamente) pero una menor densidad de energía (almacenan menos energía), los supercondensadores cierran la brecha entre condensadores y baterías al tener tanto alta densidad de potencia como una densidad de energía relativamente alta.
• Construcción: Los supercondensadores suelen utilizar materiales y métodos de construcción diferentes. Normalmente emplean materiales de carbono poroso para los electrodos, lo que brinda una gran superficie, y un electrolito que permite el movimiento de iones. La gran superficie y la construcción especial permiten al supercondensador almacenar más energía.
• Velocidades de carga y descarga: Los supercondensadores pueden cargarse y descargarse mucho más rápidamente que las baterías, y pueden soportar muchos más ciclos de carga y descarga sin una degradación significativa. Aunque los condensadores estándar también se cargan y descargan rápidamente, los supercondensadores pueden mantener la carga por más tiempo debido a su mayor capacidad de almacenamiento.

En pocas palabras, aunque los condensadores estándar y los supercondensadores operan bajo el mismo principio básico de almacenar energía en un campo eléctrico, los supercondensadores se distinguen por su mucho mayor capacidad de almacenamiento, diferentes materiales de construcción y su capacidad de combinar las características tanto de condensadores como de baterías.

¿Dónde se utilizan los supercondensadores?

Entonces, ahora que sabes qué es un supercondensador, ¿dónde son útiles?  Los supercondensadores se utilizan comúnmente en aplicaciones donde la entrega rápida de energía y el almacenamiento eficiente son esenciales. Aquí hay algunas de las áreas típicas donde puedes encontrar supercondensadores:

• Vehículos eléctricos (EVs): Los supercondensadores pueden proporcionar los ráfagas rápidas de potencia requeridas para la aceleración y también pueden capturar energía durante el frenado regenerativo, mejorando la eficiencia general del vehículo.
• Transporte público: En autobuses y tranvías, los supercondensadores pueden usarse para almacenar energía rápidamente durante paradas breves y luego proporcionar la energía necesaria para la aceleración, reduciendo la carga sobre la fuente de energía principal.
• Sistemas de energía renovable: Los supercondensadores pueden almacenar energía de fuentes renovables como la solar y la eólica, liberándola cuando sea necesario. Esto ayuda a suavizar las fluctuaciones en el suministro de energía cuando el sol y el viento son escasos.
• Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS): En sistemas que requieren un suministro continuo de energía, los supercondensadores pueden proporcionar energía temporal durante cortes breves o hasta que los generadores de respaldo entren en funcionamiento.
• Electrónica de consumo: En algunos dispositivos, los supercondensadores pueden proporcionar las ráfagas rápidas de energía requeridas para ciertas funciones, como la fotografía con flash en cámaras y sistemas de audio de alta gama en automóviles.
• Dispositivos médicos: Los supercondensadores pueden usarse en dispositivos médicos como desfibriladores que requieren una entrega de energía fiable e instantánea.
• Equipos industriales: En entornos industriales, los supercondensadores pueden proporcionar la alta potencia necesaria durante cortos períodos en diversas máquinas y herramientas.
• Estabilización de la red eléctrica: Los supercondensadores pueden usarse en la red eléctrica para proporcionar una respuesta rápida a cambios en la demanda o el suministro, ayudando a estabilizar la red y prevenir fluctuaciones.
• Dispositivos de comunicación inalámbrica: Pueden usarse para proporcionar la energía necesaria para la transmisión de señales, especialmente en ubicaciones remotas o de difícil acceso donde el reemplazo de baterías es un desafío.
• Aplicaciones de redes inteligentes y microredes: Los supercondensadores pueden ser parte de sistemas de gestión energética inteligentes, ayudando a equilibrar cargas y almacenar energía localmente para un uso más eficiente.
• Aeroespacial y defensa: En aplicaciones aeroespaciales, los supercondensadores pueden proporcionar energía fiable para sistemas críticos que requieren alta fiabilidad y rendimiento.

En conjunto, la versatilidad, la alta densidad de potencia y la capacidad de carga/descarga rápida de los supercondensadores los hacen adecuados para una amplia gama de aplicaciones donde tanto el almacenamiento de energía como la liberación rápida de energía son requeridos. Como se puede observar en la lista anterior, los supercondensadores ya se utilizan en una gran cantidad de industrias.  Por ello, el reciente descubrimiento realizado por el MIT resulta particularmente intrigante debido a su potencial para impulsar tantas implementaciones diferentes.

Una nueva receta

Según el MIT, los investigadores involucrados en este descubrimiento desarrollaron el método para producir un material a base de cemento con una gran superficie interna al introducir negro de carbono en una mezcla de concreto. El material resultante, al sumergirse en un electrolito estándar como el cloruro de potasio, forma un potente supercondensador. Cabe destacar que la cantidad de carbono necesaria es mínima, lo que hace que el proceso sea tanto económico como fácilmente reproducible.

Al crear un supercondensador, es importante recordar que su rendimiento depende en gran medida de la superficie interna de sus placas conductoras.  El MIT afirma que,

“La clave de los nuevos supercondensadores desarrollados por este equipo proviene de un método de producir un material a base de cemento con una superficie interna extremadamente alta debido a una red densa e interconectada de material conductor dentro de su volumen total.”

Lo que es clave en este descubrimiento, sin embargo, es que se logró con materiales tan mundanos, encontrados a bajo costo en todo el mundo, lo que lo convierte en una tecnología extremadamente accesible.

Donde este descubrimiento se vuelve interesante es al pensar en sus posibles aplicaciones futuras para estabilizar redes energéticas y demandas.  El equipo describe una implementación en la que los cimientos de una vivienda están hechos de este material.  No solo el material puede ser tan robusto como el cemento normal, sino que los cimientos de una casa tendrían la capacitancia suficiente para proporcionar un día completo de electricidad.   Esto podría aprovecharse durante cortes de energía, en horas de tarifa pico u otras circunstancias similares.

También es útil para hogares que aprovechan la energía renovable, donde el suministro no es constante.  Durante períodos de generación excesiva, la energía almacenada en los cimientos podría recargarse, mientras que en períodos de escasez energética, podría extraerse.  Otras implementaciones incluyen tecnología de carga inalámbrica, sirviendo a comunidades y hogares desconectados de las redes eléctricas tradicionales, y más.

Palabra final

La importancia de un supercondensador a base de cemento es enorme, dada la propensión humana a construir con este material.  En general, el equipo cree que su,

“…diseño de material de composites porosos de carbono-cemento proporciona una solución material escalable para el almacenamiento de energía que apoya la urgente transición de los combustibles fósiles a las energías renovables.”

No solo sería fácilmente accesible, sino que podría ver una implementación bastante sencilla tanto en proyectos pequeños como a gran escala.