Supercapacitores y su relación con las baterías

La necesidad de fuentes fiables de almacenamiento de energía ha crecido drásticamente con el auge del Internet de las cosas (IoT), el IoT Industrial (IIoT), la electrónica portátil y aplicaciones más grandes como plantas industriales y centros de datos. Las baterías proporcionan alimentación directa a los dispositivos más pequeños, mientras que en las aplicaciones de mayor tamaño suelen utilizarse como respaldo en caso de corte de la alimentación principal.

Los dispositivos pequeños suelen utilizar baterías de ión de litio (Li-ion) o pilas alcalinas de botón para conseguir los objetivos de factor de forma pequeño y mantenimiento mínimo. Las pilas de iones de litio requieren una atención especial a los límites de los ciclos de carga y a la seguridad. Las baterías utilizadas como reserva pueden desgastarse rápidamente tras una recarga rápida y deben sustituirse. Además, estas baterías requieren complejos sistemas de gestión de batería y aún tienen potencial de desbordamiento térmico, lo que plantea problemas de seguridad.

Los capacitores electroquímicos de doble capa (EDLC), o supercapacitores, ofrecen una tecnología complementaria a las baterías. Mientras que las baterías pueden suministrar energía durante periodos relativamente largos, los supercapacitores pueden hacerlo rápidamente durante periodos cortos. Además, los supercapacitores son ecológicos, no se desbocan térmicamente y pueden funcionar de forma fiable hasta 20 años. Pueden utilizarse como único método de almacenamiento de energía, en combinación con baterías, o como dispositivo híbrido para optimizar el suministro de energía.

Este artículo describe brevemente los supercapacitores en relación con las baterías. A continuación, repasa algunas aplicaciones típicas, autónomas y en combinación con baterías. Los supercapacitores de Eaton se utilizan con fines ilustrativos.

Diferencias entre supercapacitores y baterías

Un supercapacitor es un dispositivo de almacenamiento de energía con una capacidad de potencia específica inusualmente alta en comparación con los dispositivos de almacenamiento electroquímico como las baterías. Las baterías y los supercapacitores desempeñan funciones similares en el suministro de energía, pero funcionan de forma diferente. Un supercapacitor funciona como un capacitor clásico en el sentido de que el perfil de descarga para una corriente de descarga constante presenta una disminución lineal del voltaje. A diferencia de una batería, el almacenamiento de energía en un supercapacitor es electrostático, por lo que no hay cambios químicos en el dispositivo, y las operaciones de carga y descarga son casi totalmente reversibles. Esto significa que puede tolerar un mayor número de ciclos de carga y descarga.

Las baterías almacenan energía electroquímicamente. El perfil de descarga de las baterías de iones de litio es plano; presentan una característica de voltaje casi constante hasta que la batería está casi totalmente descargada. Debido a la degradación de los mecanismos químicos, el número de ciclos de carga-descarga en una batería de iones de litio es limitado. Factores como la temperatura, el voltaje de carga y la profundidad de descarga influyen en la reducción de la capacidad de la batería.

Las baterías de iones de litio están expuestas a fugas térmicas, autoencendido e incluso explosión. La generación de calor es inevitable debido a las reacciones químicas durante la carga y descarga por calentamiento resistivo. Por este motivo, las baterías requieren un control de la temperatura para garantizar la seguridad del usuario.

Comparación de las especificaciones de supercapacitores y baterías de iones de litio

Las baterías proporcionan una alta densidad energética. Los supercapacitores tienen una densidad energética menor que las baterías, pero una alta densidad de potencia porque pueden descargarse casi instantáneamente. Los procesos electroquímicos de una batería tardan más tiempo en suministrar energía a una carga. Ambos dispositivos tienen características que se ajustan a las necesidades específicas de almacenamiento de energía (Figura 1).

Figura 1: Comparación de las características de los supercapacitores y las baterías de iones de litio. (Fuente de la imagen: Eaton)

La comparación de la densidad de energía, en vatios hora por litro (Wh/L), y la densidad de potencia, en vatios por litro (W/L), muestra la diferencia más significativa entre los dispositivos. Esto también afecta a los tiempos de descarga; los supercapacitores están pensados para suministrar energía en intervalos breves (eventos transitorios), mientras que las baterías se ocupan de eventos prolongados. El supercapacitor se descarga en segundos o minutos, mientras que una batería puede suministrar energía durante horas. Esta característica afecta a su aplicación.

Los supercapacitores admiten un rango de temperaturas de funcionamiento más amplio que las baterías. Sus procesos electrostáticos casi sin pérdidas también contribuyen a su mayor eficiencia y a su mayor velocidad de carga.

Ejemplos de supercapacitores

Eaton ofrece una línea completa de supercapacitores fiables para aplicaciones de almacenamiento de energía que requieren alta densidad de potencia y carga rápida. El embalaje físico de sus supercapacitores a veces coincide con el de las baterías, especialmente las pilas de botón. También están disponibles en paquetes cilíndricos de condensadores convencionales (Figura 2).

Figura 2: Los supercapacitores están disponibles en envases cilíndricos estándar con terminales radiales; algunos están envasados para adaptarse a los formatos de batería de iones de litio. (Fuente de la imagen: Eaton)

El TV1030-3R0106-R de Eaton que se muestra en la Figura 2 (izquierda) es un supercapacitor de 10 Faradios (F) con un voltaje máximo de trabajo de 3 V. Se presenta en una lata cilíndrica con terminales radiales. La lata tiene un diámetro de 10.5 milímetros (mm) (0.413 pulgadas (pulg.)) y una altura de 31.5 mm (1.24 in). Tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -25 °C a +65 °C y un rango de funcionamiento ampliado de -25 °C a +85 °C cuando se reduce para funcionar a 2,5 V o menos. Puede almacenar 12.5 milivatios hora (mW/h) de energía y producir una potencia máxima de 86.5 A. Tiene una capacidad nominal de 500,000 ciclos de carga y descarga.

Los supercapacitores pueden sustituir a las baterías/pilas de botón en muchas aplicaciones, como la alimentación de reserva de la memoria. El KVR-5R0C155-R de Eaton (Figura 2, derecha) es un supercapacitor de 1.5 F con una tensión máxima de trabajo de 5 voltios. Sus dimensiones son similares a las de una pila de botón de 20 mm. Puede suministrar una potencia de pico de 0.208 vatios. Su rango de temperatura de funcionamiento es de -25 °C a +70 °C. Además, está preparada para 500,000 ciclos de carga y descarga.

Aumento de la densidad energética de los supercapacitores

La energía almacenada en un supercapacitor es proporcional a su capacitancia y al cuadrado del voltaje al que se carga. Así, la densidad de energía puede aumentarse incrementando el número de células, conectándolas en paralelo. Se pueden conseguir mayores densidades de energía creando módulos de supercapacitores con alta capacitancia y voltajes de trabajo más elevados (Figura 3).

Figura 3: La densidad energética de un supercapacitor puede aumentarse añadiendo varias celdas y aumentando el voltaje de trabajo. (Fuente de la imagen: Eaton)

El supercapacitor PHVL-3R9H474-R de Eaton (Figura 3, izquierda) es un dispositivo de 470 milifaradios (mF) y 3.9 voltios con doble celda. Tiene una resistencia equivalente en serie (ESR) muy baja, de 0.4 ohmios (Ω), para reducir las pérdidas por conducción, y puede suministrar una potencia de pico de 9.5 A. Tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +65 °C. Al igual que los supercapacitores mencionados anteriormente, tiene una autonomía de 500,000 ciclos de carga y descarga. El paquete físico mide 14.5 mm de alto, 17.3 mm de largo y 9 mm de ancho.

Los paquetes modulares de supercapacitores pueden suministrar cantidades significativas de energía de reserva. El XLR-16R2507B-R de Eaton (Figura 3, derecha) tiene una capacitancia de 500 F y funciona con un voltaje máximo de 16.2 V. El módulo tiene una ESR de 1.7 miliohmios (mΩ) y puede suministrar una potencia pico de 38.6 kilovatios (kW). El rango de temperatura de funcionamiento es de -40 °C a +65 °C (temperatura de la célula). El envase mide 177 mm (6.97 in) de alto, 417 mm (16.417 in) de largo y 68 mm (2677 in) de ancho.

Supercapacitores híbridos

Los esfuerzos por combinar las características de los supercapacitores y las baterías/pilas de iones de litio han dado lugar a un supercapacitor híbrido llamado capacitor de iones de litio (LiC). Esto aumenta la densidad de energía del supercapacitor sin dejar de ofrecer tiempos de respuesta más rápidos que los de una batería. El LiC tiene una estructura asimétrica que utiliza un ánodo de grafito dopado con litio y un cátodo de carbón activado (Figura 4).

Figura 4: El supercapacitor híbrido reúne las características del supercapacitor y de la batería de iones de litio. Tene un mayor número de ciclos de carga/descarga en comparación con una batería/pila y mayores velocidades de descarga. (Fuente de la imagen: Eaton)

La estructura del supercapacitor híbrido fusiona la naturaleza electroquímica de la batería de litio con las propiedades electrostáticas del supercapacitor para ofrecer una notable ventaja a los diseñadores. El movimiento de carga es un proceso electroquímico en el LiC, pero se realiza con menor profundidad que en una batería/pila, lo que se traduce en un mayor número de ciclos de carga/descarga y mayores velocidades de descarga. El perfil de descarga resultante es muy similar al del supercapacitor.

Por ejemplo, el HS1016-3R8306-R es un supercapacitor híbrido de 30 F y 3.8 V alojado en un envase cilíndrico con terminales radiales. Tiene una ESR de 0.55 Ω y puede suministrar una potencia de pico de 6.6 W. Su rango de temperatura de funcionamiento es de -15 °C a +70 °C, y dispone de un rango de funcionamiento ampliado de -15 °C a +85 °C, reducido para funcionar a 3.5 V o menos. Tiene una vida útil nominal de 1,000 horas a voltaje nominal y temperatura máxima de funcionamiento. Las dimensiones del envase son 18 mm de alto y 10.5 mm de diámetro. Al igual que el supercapacitor, resiste 500,000 ciclos de carga y descarga.

Gráficos de densidad de energía y potencia

Las distribuciones de energía y densidad de potencia de los dispositivos de almacenamiento de energía ofrecen una visión considerable de su utilidad y duración operativa efectiva (Figura 5).

Figura 5: Un diagrama cruzado de la densidad de energía frente a la densidad de potencia de los dispositivos de batería/pila y supercapacitor proporciona información sobre su duración operativa. (Fuente de la imagen: Eaton)

El gráfico representa la densidad de energía frente a la densidad de potencia. La relación de estos parámetros da como resultado el tiempo, que también se representa en el gráfico. Los dispositivos con alta densidad de energía pero baja densidad de potencia están en la esquina superior izquierda. Por ejemplo, celdas de combustible y baterías. Los dispositivos con alta densidad de potencia pero baja densidad de energía, como los capacitores y supercapacitores tradicionales, ocupan la esquina inferior derecha. Los supercapacitores híbridos se sitúan entre estos dos grupos. Observe la escala temporal de cada uno; los supercapacitores funcionan durante periodos de segundos, los híbridos durante minutos y las baterías durante horas o más.

Aplicaciones de almacenamiento de energía

Los dispositivos de almacenamiento de energía suministran energía cuando se pierde la energía primaria. Un buen ejemplo es el suministro de energía de reserva para la memoria de la computadora. Hasta ahora se utilizaban baterías, pero los supercapacitores se están abriendo camino en este campo gracias a sus ciclos de carga/recarga mucho más largos. Además, con los supercapacitores no es necesario sustituir las baterías al cabo de un año de funcionamiento.

Los supercapacitores también se utilizan en diseños IoT e IIoT que dependen de la recolección de energía. Tienen aplicaciones similares en los vehículos, donde almacenan la energía recuperada del frenado.

Los supercapacitores proporcionan una gran potencia durante periodos cortos. Pueden aplicarse para proporcionar energía "de paso" en instalaciones críticas que necesitan salvar el retraso de unos diez segundos hasta que un generador de emergencia puede entrar en funcionamiento. El supercapacitor se recarga aproximadamente en el mismo periodo que el de uso y puede volver a estar en línea rápidamente tras un corte de suministro.

Conclusión:

Los supercapacitores complementan a las baterías en la mayoría de las aplicaciones de almacenamiento de energía. Sus niveles de potencia más altos y disponibles de inmediato y sus rápidos tiempos de recarga los hacen ideales para el suministro eléctrico a corto plazo. El elevado número de ciclos de carga/recarga que pueden tener sin degradación del rendimiento reduce los costos de mantenimiento e inventario de sustitución de baterías.