Nueva comprensión de supercondensadores puede revolucionar los estándares de carga

Una nueva comprensión de supercondensadores podría hacer posible cargar tu teléfono o vehículo eléctrico en segundos. Esta semana, investigadores de CU Boulder publicaron un estudio en la Proceedings of the National Academy of Science sobre la dinámica de transferencia de iones a través de la carga de capas eléctricas dobles porosas (EDL) que tiene el potencial de revolucionar el mercado de supercondensadores. Aquí hay lo que necesitas saber.

¿Qué son supercondensadores?

Los condensadores son un componente crucial de la electrónica actual. Estos dispositivos almacenan energía electrostática en un campo eléctrico en lugar de crear energía a través de métodos químicos como las baterías tradicionales. Como tal, tienen características únicas que los hacen ideales cuando se requiere un pulso de alta potencia y capacitancia.

Supercapacitores vs Baterías

Los supercondensadores y las baterías almacenan energía pero de maneras muy diferentes. Las baterías más comunes almacenan energía utilizando reacciones químicas. Este método es ideal para requisitos de energía a largo plazo pero tiene desventajas graves, como tiempos de carga largos y peso. Los supercondensadores agregan capacitancia, lo que los hace ideales para proporcionar explosiones de energía cuando se necesitan.

Dado que los supercondensadores almacenan energía a través de una carga estática en lugar de una reacción electroquímica, se pueden hacer más ligeros. En la mayoría de los casos, se utilizan para complementar circuitos DC y se pueden encontrar en muchos dispositivos electrónicos comunes.

¿Cómo funcionan los supercondensadores?

Los supercondensadores se acumulan cargando iones en poros. Este método de carga permite que un supercondensador se cargue completamente en segundos. Hasta hace poco, este método de almacenar electricidad estaba limitado en términos de capas y poros. Sin embargo, es precisamente este método de carga único lo que llamó la atención del ingeniero bioquímico Ankur Gupta y su equipo.

Campos científicos se encuentran

Gupta y su equipo de investigadores revisaron los datos obtenidos a través de la investigación del flujo a través de materiales porosos y los aplicaron a supercondensadores. En la mayoría de los casos, esta ciencia se aplicó a dispositivos no electrónicos como sistemas de filtración de agua. Notablemente, Gupta se dio cuenta de que su experiencia podría ser utilizada en electrónica también. Sus resultados revelaron que los métodos de carga de capas eléctricas dobles (EDL) podrían mejorarse utilizando su modelo para crear dispositivos de almacenamiento de energía más eficientes, incluyendo baterías que pueden cargarse en segundos.

Detalles del estudio

Los investigadores comenzaron revisando cómo la conectividad de poros y la polidispersidad afectan la carga en términos de eficiencia y capacidad. Para realizar esta tarea, crearon nuevas formas de predecir el movimiento del electrolito a través de poros multicapa dispuestos en estructuras complejas.

Nuevo modelo mejora la planificación de ingeniería

El modelo simuló miles de poros interconectados apilados en capas y monitoreó el movimiento de iones. Agregar más capas a estos sistemas resultó ser una forma efectiva de permitir capacidades de captura de energía más altas. La clave es crear una estructura que permita que se atrapen la mayor cantidad de iones posible sin causar un bloqueo completo.

Notablemente, los investigadores determinaron que maximizar el área de superficie podría mejorar el rendimiento y las capacidades de almacenamiento. Como tal, crearon profundidad en sus simulaciones. Su modelo permite a los ingenieros predecir relaciones entre propiedades y estructuras y cómo afectan la transferencia de energía con precisión en estos filtros multicapa complejos. Los datos se cruzaron luego para determinar los métodos más eficientes de generación y descarga de energía cuando se requiere.

Resultados del estudio

El estudio permitió a los investigadores crear modelos y probar resultados muchas veces más rápido que los métodos anteriores. En particular, los resultados se maximizaron en una red triangular de cinco mil poros, lo que tomó 6 minutos en completarse. En el futuro, esperan simular el límite de Debye-Hückel sin restricciones en el grosor de EDL y el radio de los poros.

Ley de Kirchhoff

Los investigadores notaron que concibieron la idea después de modificar la Ley de Kirchhoff. El físico alemán Gustav Kirchhoff creó dos leyes que gobiernan el comportamiento de la electricidad en 1845 llamadas Ley de Kirchhoff de Voltaje y Corriente. Estas leyes se utilizan hasta hoy para determinar la resistencia en redes complejas.

Aplicaciones reales de supercondensadores

Los supercondensadores tienen muchas aplicaciones reales que abarcan diversas industrias. Puedes encontrar estos dispositivos útiles utilizados para amortiguar sistemas, alimentar vehículos y mucho más. Aquí están los usos más comunes de supercondensadores hoy en día.

Protección de memoria y respaldo de batería interna

Uno de los usos más populares de supercondensadores hoy en día es la protección de memoria y el respaldo de batería. Los supercondensadores son ideales para esta tarea ya que son ligeros, más pequeños que las baterías, confiables y no requieren mantenimiento. Como tal, estos dispositivos se encuentran en la mayoría de los dispositivos electrónicos de CC hoy en día.

Los supercondensadores pueden proporcionar un respaldo de memoria confiable debido a su capacidad para sostener cargas de alta potencia rápidamente. Esta capacidad los hace ideales en apagados inesperados o otros escenarios de pérdida de energía. En estos escenarios, es común que estos dispositivos envíen la caché a la memoria flash, guardando tu progreso en los segundos críticos durante la pérdida de energía.

Amortiguación de energía

Otro uso muy común para supercondensadores es proporcionar un amortiguador para sistemas de alta intensidad. Los supercondensadores proporcionan la solución perfecta cuando se necesita un impulso de energía. Esta capacidad les permite a estos dispositivos suavizar las fluctuaciones de energía para garantizar una entrega de energía suave.

La amortiguación de energía en dispositivos electrónicos es popular y los supercondensadores son la forma más común de hacer que estos dispositivos funcionen suavemente. Estos dispositivos proporcionan la densidad de energía y la capacidad de entrega necesarias para inyectar energía cuando el sistema la requiere sin la necesidad de sistemas adicionales. Como tal, puedes encontrar supercondensadores ayudando en tu control de tracción, impulso de velocidad y otras tareas vitales que los vehículos eléctricos realizan.

Cosecha de energía

Los métodos de cosecha de energía pueden mejorarse significativamente utilizando supercondensadores. Las características de los supercondensadores, como la capacidad de almacenar energía extra y liberarla en segundos, los hacen ideales para su uso en el proceso de cosecha de energía. Aquí desempeñan un papel vital para suavizar los aumentos de corriente desiguales.

La tecnología de cosecha de energía continúa aumentando en su alcance e importancia. Hoy en día, hay roles vitales para supercondensadores que ayudan a garantizar un suministro de energía suave y constante en redes comunitarias, baterías de larga vida, celdas de combustible o incluso motores de combustión avanzados. En el futuro cercano, los supercondensadores desempeñarán un papel aún más importante en la cosecha de energía, ya que ayudarán a maximizar los rendimientos de las granjas eólicas y solares de próxima generación.

Integración con baterías

Es fácil ver por qué los supercondensadores podrían ser la clave para mejores baterías. Ya existen baterías que integran estos dispositivos para garantizar una entrega de energía suave y una carga. Aquí, los supercondensadores garantizan que las tensiones desiguales no dañen los circuitos o creen picos problemáticos.

La investigación ha demostrado que los supercondensadores pueden ayudar a mejorar el rendimiento de las baterías a nuevas alturas. Su alta capacidad y liberación rápida les permiten a estos dispositivos almacenar más energía que las baterías. Además, esa energía se puede aplicar donde se necesite 10 veces más rápido que los métodos de entrega tradicionales.

Almacenamiento de energía en vehículos híbridos

Los vehículos híbridos son otra industria que ha encontrado un uso para supercondensadores. En los últimos 5 años, ha habido un esfuerzo concertado para desarrollar motores de condensadores completamente alimentados para vehículos. Este desarrollo revolucionaría la industria ya que permitiría una recarga casi instantánea a través de una variedad de opciones, incluyendo frenado regenerativo, fuentes de energía ambiental y otros métodos avanzados.

El objetivo es que los supercondensadores sean la principal fuente de energía para estas unidades. Esta maniobra reduciría significativamente los costos y el peso de los vehículos eléctricos. También mejoraría la durabilidad y la confiabilidad, mientras reduce el peso de estos vehículos considerablemente. Todos estos factores han llevado a los fabricantes de vehículos híbridos a gastar una cantidad considerable de fondos en investigar las mejores opciones.

IoT Internet de las cosas

El IoT es una red masiva de dispositivos inteligentes que ha crecido para incluir miles de millones de unidades. Estos dispositivos son inteligentes porque tienen sensores y se comunican con Internet. Estos dispositivos, a menudo pequeños y de baja potencia, podrían aprovechar los supercondensadores para cumplir con sus mediciones de energía mientras siguen siendo pequeños y asequibles.

El IoT está en auge, con analistas que predicen que esta red de miles de millones de dispositivos aumentará significativamente en los próximos años. Como tal, alimentar estos dispositivos se ha convertido en un enfoque principal para desarrolladores, ingenieros y fabricantes por igual.

Beneficios de esta investigación

El principal beneficio del estudio de los investigadores es la mejora de los supercondensadores. Su modelo permitirá a los fabricantes crear dispositivos complejos y más eficientes que alimentarán baterías de carga rápida, redes de energía, viajes y mucho más. Aquí hay algunas empresas que podrían beneficiarse de esta tecnología en los próximos años.

1. FREYR Battery

(FREY )

FREYR Battery es un fabricante de células de batería de Luxemburgo que sigue siendo la fuerza dominante en el mercado. La empresa se fundó en 2018 para atender al creciente mercado de baterías para vehículos eléctricos. Hoy en día, la empresa se especializa en almacenamiento de energía, aviación, automóviles y servicios de baterías eléctricas.

FREYR Battery es una potencia en el mercado con operaciones importantes en Noruega y EE. UU. Georgia será el hogar de la planta de baterías Giga actualmente en construcción de la empresa. Estas baterías masivas están diseñadas para atender al sector industrial, lo que convierte a esta planta en un esfuerzo pionero en el mercado.

FREYR Battery tiene un MCAP que fluctúa alrededor de $225M a $359.74M. Al revisar las acciones en el rango de los últimos 52 semanas, los valores han visto fluctuaciones entre $1.21 y $10.10, con el máximo histórico de $16.94 alcanzado el 6 de octubre de 2022. Actualmente, los analistas predicen que FREY Battery sea un “mantener” sólido, ya que las previsiones van desde $10.00 hasta $1.90.

2. QuantumScape

(QS )

QuantumScape fue financiada por Jagdeep Singh, Tim Holme y Fritz B. Prinz. Entró en el mercado en 2010 y tiene su sede en California. La empresa se especializa en tecnología de baterías de estado sólido y otras estrategias de ahorro de energía. Notablemente, esta empresa de baterías innovadora podría integrar los avances de los investigadores en el futuro para mejorar sus ofertas.

QuantumScape busca empujar los límites de la tecnología de baterías para mejorar la eficiencia y la sostenibilidad. La empresa recientemente llamó la atención después de convertirse en el único fabricante en desarrollar células de batería sin ánodo. Esta mejora proporciona una mayor densidad de energía y reduce los costos de fabricación.

Los traders notarán que las acciones de QuantumScape fluctuaron entre $4.92 y $13.86 en los últimos 52 semanas. El MCAP para este activo ha visto valores que van desde $2B hasta $3B. A pesar de que la forma no muestra rendimientos a los traders, todavía se considera una buena adición porque sus innovaciones tienen un alto potencial para perturbar el mercado en los próximos meses.

Futuro de supercondensadores

El futuro de los supercondensadores es brillante. Más empresas continúan investigando cómo mejorar estos dispositivos útiles y integrarlos en sistemas existentes para mejorar el rendimiento. Como tal, el mercado de supercondensadores es muy activo y lleno de innovaciones. En el futuro, los investigadores dedicarán tiempo a la exploración de nuevos materiales.

Además, se prestará más atención a las características físicas de estos dispositivos. Es posible que pronto se fabriquen más suaves, flexibles o incluso estirables para servir a robots suaves y otros mercados emergentes. Hacer que estos dispositivos sean más pequeños es otra preocupación importante que impulsará la innovación.

Economía verde

El futuro de los supercondensadores es verde. Hay mucha investigación en cómo hacer que estos dispositivos sean biodegradables en el futuro. Esta mejora ayudaría a reducir su impacto en el medio ambiente a medida que su uso continúa aumentando. La sostenibilidad es una preocupación importante para todas las tecnologías en marcha. Como tal, los materiales de los supercondensadores se volverán más exóticos con el tiempo para garantizar que hagan menos daño al ecosistema.

Nuevos supercondensadores obtienen nuevas capacidades

Cuando miras el papel crítico que desempeñan los supercondensadores en tu vida diaria, es fácil ver por qué esta investigación ha generado tanta atención. Estos dispositivos impulsan la electrónica en la que tanta gente ha crecido para depender para la vida diaria. En el futuro, baterías de carga rápida y redes de energía son exactamente lo que el mercado requiere. Como tal, es una decisión inteligente mantenerse al día sobre esta investigación a medida que se desarrolla.

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