¿Pueden los supercondensadores reemplazar las baterías en los autos eléctricos?

Los autos eléctricos y los híbridos están firmemente arraigados en las mentes de los automovilistas modernos, como una nueva ronda en la evolución de los vehículos. Si consideramos estos autos en comparación con los modelos equipados con ICE, tienen sus ventajas y desventajas.

Las ventajas siempre incluyen la operación silenciosa, así como la ausencia de contaminación durante el viaje (aunque hoy en día la fabricación de una batería para un automóvil eléctrico contamina el medio ambiente más de 30 años de operación de un solo motor diesel).

El principal inconveniente de los vehículos eléctricos es la necesidad de cargar la batería. Junto con esto, los principales fabricantes de automóviles están desarrollando diferentes opciones, como para aumentar la vida útil de la batería y aumentar el intervalo entre las cargas. Una de esas opciones es el uso de supercondensadores.

Considere esta tecnología como un ejemplo de una nueva industria automotriz: Lamborghini Sian. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de este desarrollo?

Nuevo en el mercado de los autos eléctricos.

Cuando el Lamborghini lanza el híbrido, puede estar seguro de que no será solo una versión más potente del Toyota Prius.

Sian, el debut de la compañía italiana en el campo de la electrificación, es el primer automóvil híbrido producido en masa (hasta 63 copias), en el que se utilizan supercondensadores en lugar de baterías de iones de litio.

Muchos físicos e ingenieros creen que es la clave de la movilidad eléctrica en masa, y no en las baterías de iones de litio. Sian los utiliza para almacenar electricidad y, si es necesario, suministrarla a su pequeño motor eléctrico.

Ventajas de los supercondensadores

En comparación con las baterías más modernas, los supercondensadores cargan y liberan energía mucho más rápido. Además, pueden soportar significativamente más ciclos de carga y descarga sin pérdida de capacidad.

En el caso de Sian, el supercondensador impulsa un motor eléctrico de 25 kilovatios, que está integrado en la caja de cambios. Puede proporcionar un aumento adicional en el V6,5 ICE de 12 litros con una capacidad de 785 caballos de fuerza, o conducir un automóvil deportivo por sí solo durante las maniobras a baja velocidad, por ejemplo, al estacionar.

Como la carga es muy rápida, este híbrido no necesita estar conectado a una toma de corriente o estación de carga. Los supercondensadores se cargan completamente cada vez que el automóvil disminuye la velocidad. Los híbridos de batería también tienen una recuperación de energía de frenado, pero es lenta y solo ayuda parcialmente a extender el kilometraje eléctrico.

El supercondensador tiene otra gran carta de triunfo: el peso. En el Lamborghini Sian, todo el sistema -el motor eléctrico más el condensador- añade solo 34 kilogramos al peso. En este caso, el aumento de potencia es de 33,5 caballos. A modo de comparación, la batería del Renault Zoe sola (con 136 caballos de fuerza) pesa alrededor de 400 kg.

Desventajas de los supercondensadores

Por supuesto, los supercondensadores también tienen desventajas en comparación con las baterías. Con el tiempo, acumulan energía mucho peor: si Sian no ha montado durante una semana, no queda energía en el condensador. Pero también hay posibles soluciones a este problema. Lamborghini está trabajando con el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) para crear un modelo puramente eléctrico basado en supercondensadores, el famoso concepto Terzo Millenio (Tercer Milenio).

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Por cierto, Lamborghini, que está bajo los auspicios del Grupo Volkswagen, no es la única empresa que experimenta en esta área. Los modelos híbridos de Peugeot han estado utilizando supercondensadores durante años, al igual que los modelos de pila de combustible de hidrógeno de Toyota y Honda. Los fabricantes chinos y coreanos los están instalando en autobuses y camiones eléctricos. Y el año pasado, Tesla compró Maxwell Electronics, uno de los fabricantes de supercondensadores más grandes del mundo, una señal segura de que al menos Elon Musk cree en el futuro de la tecnología.

7 datos clave para comprender los supercondensadores

1 Cómo funcionan las baterías

La tecnología de las baterías es una de las cosas que hemos dado por hecho durante mucho tiempo sin pensar en cómo funciona. La mayoría de la gente imagina que al cargar, simplemente “vertemos” electricidad en la batería, como agua en un vaso.

Pero una batería no almacena electricidad directamente, sino que solo la genera cuando es necesario mediante una reacción química entre dos electrodos y un fluido (más comúnmente) que los separa, llamado electrolito. En esta reacción, los químicos que contiene se convierten en otros. Durante este proceso, se genera electricidad. Cuando se convierten por completo, la reacción se detiene: la batería se descarga.

Sin embargo, con las baterías recargables, la reacción también puede ocurrir en la dirección opuesta: cuando las carga, la energía inicia el proceso inverso, que restaura los químicos originales. Esto puede repetirse cientos o miles de veces, pero inevitablemente hay pérdidas. Con el tiempo, las sustancias parásitas se acumulan en los electrodos, por lo que la vida útil de la batería es limitada (normalmente de 3000 a 5000 ciclos).

2 ¿Cómo funcionan los condensadores?

No hay reacciones químicas en el condensador. La carga positiva y negativa se producen exclusivamente por electricidad estática. Dentro del condensador hay dos placas metálicas conductoras separadas por un material aislante llamado dieléctrico.

La carga es muy similar a frotar una pelota en un suéter de lana para que se pegue con electricidad estática. Las cargas positivas y negativas se acumulan en las placas, y el separador entre ellas, que evita que entren en contacto, es en realidad un medio de almacenamiento de energía. Un condensador puede cargarse y descargarse incluso un millón de veces sin pérdida de capacidad.

3 ¿Qué son los supercondensadores?

Los capacitores convencionales son demasiado pequeños para almacenar energía, generalmente se miden en microfaradios (millones de faradios). Esta es la razón por la que se inventaron los supercondensadores en la década de 1950. En sus variantes industriales más grandes, fabricadas por empresas como Maxwell Technologies, la capacidad alcanza varios miles de faradios, es decir, el 10-20% de la capacidad de una batería de iones de litio.

4 Cómo funcionan los supercondensadores

A diferencia de los condensadores convencionales, no hay dieléctrico. En cambio, las dos placas están sumergidas en un electrolito y separadas por una capa aislante muy delgada. La capacitancia de un supercondensador en realidad aumenta a medida que aumenta el área de estas placas y disminuye la distancia entre ellas. Para aumentar el área de superficie, actualmente están recubiertos con materiales porosos como los nanotubos de carbono (tan pequeños que 10 mil millones de ellos caben en un centímetro cuadrado). El separador puede tener solo una molécula de espesor con una capa de grafeno.

Para entender la diferencia, es mejor imaginar la electricidad como agua. Un condensador simple en este caso se verá como una toalla de papel, que puede absorber una cantidad limitada. Un supercondensador es una esponja de cocina en el ejemplo.

5 baterías: pros y contras

Las baterías tienen una ventaja significativa: alta densidad de energía, lo que les permite almacenar cantidades relativamente grandes de energía en un depósito pequeño.

Sin embargo, también tienen muchas desventajas: peso pesado, vida útil limitada, carga lenta y liberación de energía relativamente lenta. Además, para su producción se utilizan metales tóxicos y otras sustancias peligrosas. Las baterías solo son eficientes en un rango de temperatura estrecho, por lo que a menudo necesitan enfriarse o calentarse, lo que reduce su alta eficiencia.

6 supercondensadores: pros y contras

Los supercondensadores son mucho más livianos que las baterías, su vida es incomparablemente más larga, no requieren sustancias peligrosas, se cargan y liberan energía casi instantáneamente. Como casi no tienen resistencia interna, no consumen energía para funcionar: su eficiencia es del 97-98%. Los supercondensadores funcionan sin desviaciones significativas en todo el rango de -40 a +65 grados Celsius.

La desventaja es que almacenan significativamente menos energía que las baterías de iones de litio.

7 nuevos materiales

Incluso los supercondensadores modernos más avanzados no pueden reemplazar completamente las baterías de los vehículos eléctricos. Pero muchos científicos y empresas privadas están trabajando para mejorarlos. Por ejemplo, en el Reino Unido, Superdielectrics trabaja con materiales creados originalmente para la fabricación de lentes de contacto.

Skeleton Technologies está trabajando con grafeno, una forma alotrópica de carbono. Una capa de un átomo de espesor es 100 veces más fuerte que el acero de alta resistencia, y solo 1 gramo puede cubrir 2000 metros cuadrados. La empresa instaló supercondensadores de grafeno en furgonetas diésel convencionales y logró un ahorro de combustible del 32 %.

A pesar de que los supercondensadores aún no pueden reemplazar completamente las baterías, hoy existe una tendencia positiva en el desarrollo de esta tecnología.

Preguntas y respuestas

¿Cómo funciona un supercondensador? Funciona de la misma forma que un condensador de alta capacidad. En él, la electricidad se acumula debido a la estática durante la polarización del electrolito. Aunque es un dispositivo electroquímico, no se produce ninguna reacción química.

¿Para qué sirve un supercondensador? Los supercondensadores se utilizan para almacenamiento de energía, arranque de motores, en vehículos híbridos, como fuentes de corriente a corto plazo.

¿En qué se diferencia un supercondensador de diferentes tipos de baterías? La batería es capaz de generar electricidad por sí misma mediante una reacción química. El supercondensador solo acumula la energía liberada.

¿Dónde se usa el supercondensador? Los condensadores de baja capacidad se utilizan en unidades de flash (completamente descargados) y en cualquier sistema que requiera una gran cantidad de ciclos de descarga / carga.