La carga del ultra

En 1995, una pequeña flota de innovadores autobuses eléctricos comenzaron a circular en rutas de 15 minutos a través de un parque en el extremo norte de Moscú. Una década después, unas pocas docenas de grúas portuarias en Asia, un par de trenes ligeros en Europa y un batallón de camiones de basura en Estados Unidos se han unido a sus filas de alta tecnología.

Un puñado de vehículos de transporte público y máquinas industriales puede parecer una revolución débil, pero son revolucionarias. A diferencia de la mayoría de sus parientes eléctricos, todos estos vehículos comparten un atributo clave: no funcionan con baterías. En cambio, funcionan con ultracondensadores, que son versiones mejoradas de ese caballo de batalla probado y verdadero de la ingeniería eléctrica: el condensador.

Un banco de ultracondensadores libera una ráfaga de energía para ayudar a una grúa a elevar su carga; luego capturan la energía liberada durante el descenso para recargarse. Los autobuses, tranvías y camiones de basura impulsados ​​por estos dispositivos circulan durante tramos cortos antes de detenerse, y es durante el frenado que los ultracondensadores pueden recargarse parcialmente con la energía que normalmente se desperdicia, dando a los vehículos gran parte del jugo que necesitan para llegar a su destino. próximos destinos.

Como no interviene ninguna reacción química, los ultracondensadores, también conocidos como supercondensadores y condensadores de doble capa, son mucho más eficaces para el almacenamiento rápido y regenerativo de energía que las baterías químicas. Es más, las baterías recargables suelen degradarse en unos pocos miles de ciclos de carga y descarga. En un año determinado, un vehículo de tren ligero puede pasar por hasta 300.000 ciclos de carga, que es mucho más de lo que una batería puede soportar. (Aunque se pueden utilizar sistemas de almacenamiento de energía con volante de inercia para solucionar esa dificultad, se necesita un sistema de transmisión pesado y complicado para transferir la energía).

La sinergia entre baterías y condensadores (dos de los componentes más resistentes y antiguos de la ingeniería eléctrica) ha ido creciendo, hasta el punto de que los ultracondensadores pronto podrán ser casi tan indispensables para la electricidad portátil como lo son ahora las baterías.

Los ultracondensadores ya están por todas partes. Millones de ellos proporcionan energía de respaldo para la memoria utilizada en microcomputadoras y teléfonos celulares. También suministran breves ráfagas de energía a numerosos productos de consumo que contienen baterías. En una cámara, por ejemplo, un ultracondensador puede prolongar la vida útil de la batería proporcionando el empuje para funciones que consumen mucha energía, como hacer zoom para tomar un primer plano.

Quizás lo más interesante es lo que los ultracondensadores podrían hacer por los coches eléctricos. Se están explorando como sustitutos de las baterías de los coches híbridos. En los automóviles normales, podrían ayudar a nivelar la carga de la batería impulsando la aceleración y recuperando energía durante el frenado. Los momentos más mortales para la vida útil de una batería son los momentos en los que se la somete a pulsos de alta corriente y se carga o descarga demasiado rápido. Convenientemente, entregar o aceptar energía durante eventos de corta duración es el punto fuerte del ultracondensador. Y como los condensadores funcionan bien en temperaturas tan bajas como -40 C, pueden dar un impulso a los coches eléctricos en climas fríos, cuando las baterías están en su peor momento.

Los ultracondensadores disponibles comercialmente ya satisfacen esas necesidades hasta cierto punto y pueden proporcionar muchas veces la potencia de baterías del mismo peso o tamaño. Pero en términos de la cantidad de energía que pueden contener, los ultracondensadores están muy por detrás. La principal diferencia es que las baterías almacenan energía en la mayor parte de su material, mientras que todos los tipos de condensadores almacenan energía sólo en la superficie de un material. Al igual que una batería, un ultracondensador está lleno de una solución iónica (un electrolito) y sus colectores de corriente se conectan a los electrodos y conducen corriente hacia y desde ellos. Los colectores están recubiertos con una fina película de carbón activado que tiene órdenes de magnitud más superficie que los condensadores ordinarios. Hasta ahora, la cantidad de superficie en los diseños de ultracondensadores se ha visto limitada por las limitaciones en la porosidad del carbón activado.

La innovación que mis colegas John Kassakian, Riccardo Signorelli y yo hemos perseguido en el MIT es reemplazar el carbón activado con un bosque denso y microscópico de nanotubos de carbono que crece directamente sobre la superficie del colector actual. Pensamos (y nuestro trabajo hasta ahora respalda nuestra teoría) que, al hacerlo, podemos crear un dispositivo que puede contener hasta el 50 por ciento de la energía eléctrica que una batería de tamaño comparable. Esta hazaña permitiría a los ultracondensadores reemplazar a las baterías en una serie de aplicaciones convencionales.

Es casi una herejía de la ingeniería. sugerir que un condensador podría alimentar un automóvil. De hecho, el condensador común almacena una cantidad insignificante de energía. A un voltaje equivalente, una batería química puede almacenar al menos un millón de veces más energía que un condensador convencional del mismo tamaño. Coloque dos condensadores comunes del tamaño de una batería D en su linterna, cada uno cargado a 1,5 voltios, y la bombilla se apagará en menos de un segundo, si es que se enciende. Sin embargo, un ultracondensador del mismo tamaño tiene una capacitancia de unos 350 faradios y podría encender la bombilla durante unos 2 minutos.

Antes de profundizar en nuestros métodos, debo explicar los conceptos básicos de los condensadores y ultracondensadores. Los condensadores existen desde 1745, adelantándose a las baterías en medio siglo. Los ultracondensadores son mucho más recientes, pero tampoco son exactamente nuevos. Los ingenieros de Standard Oil patentaron la tecnología de ultracondensadores en 1966, un producto inesperado de su investigación sobre pilas de combustible. Standard Oil concedió la licencia de la tecnología a NEC Corp., de Tokio, que comercializó los resultados como "supercondensadores" en 1978, para proporcionar energía de respaldo para mantener la memoria de la computadora.

Un condensador consta de dos electrodos o placas, separados por un fino aislante. Cuando se aplica voltaje a los electrodos, se crea un campo eléctrico entre las placas. La energía de un condensador se almacena en dicho campo eléctrico, sin requerir ningún tipo de reacción química. Por tanto, un condensador tiene una vida útil casi ilimitada. También es rápido. Dependiendo de su estructura física, los tiempos típicos de carga y descarga son del orden de un microsegundo; a veces son tan rápidos como un picosegundo.

Tres factores principales determinan cuánta energía eléctrica puede almacenar un condensador: el área de superficie de los electrodos, su distancia entre sí y la constante dieléctrica del material que los separa. Sin embargo, sólo se pueden impulsar los diseños de condensadores convencionales hasta cierto punto. Lo que hicieron los ingenieros de Standard Oil fue desarrollar un condensador que funciona de manera diferente. Recubrieron dos electrodos de aluminio con una capa de carbono de 100 micrómetros de espesor. Primero se grabó químicamente el carbono para producir muchos agujeros que se extendían a través del material, como en una esponja, de modo que la superficie interior era aproximadamente 100.000 veces mayor que la exterior. (Se dice que este proceso "activa" el carbón).

Llenaron el interior con un electrolito y utilizaron un aislante poroso, similar al papel, para evitar que los electrodos se cortocircuitaran. Cuando se aplica un voltaje, los iones son atraídos hacia el electrodo con carga opuesta, donde se adhieren electrostáticamente a los poros del carbono. A los bajos voltajes utilizados en los ultracondensadores, el carbono es inerte y no reacciona químicamente con los iones que se le atribuyen. Los iones tampoco se oxidan ni se reducen, como ocurre con los voltajes más altos utilizados en una celda electrolítica.

Este enfoque permitió a los ingenieros de Standard Oil construir un dispositivo multifaradio. En aquella época, ni siquiera los condensadores grandes tenían ni cerca de un faradio de capacitancia. Hoy en día, los ultracondensadores pueden almacenar un 5 por ciento más de energía que una batería moderna de iones de litio. Los ultracondensadores con una capacitancia de hasta 5000 faradios miden aproximadamente 5 centímetros por 5 cm por 15 cm, lo cual es una capacitancia sorprendentemente alta en relación con su volumen. La batería de celda D también es significativamente más pesada que el condensador de tamaño equivalente, que pesa alrededor de 60 gramos.

Cientos de miles Cada año se fabrican una gran cantidad de ultracondensadores para aplicaciones que requieren recarga rápida, alta potencia de salida y ciclos repetitivos. En 2005, el mercado de ultracondensadores oscilaba entre 272 y 400 millones de dólares, dependiendo de la fuente, y está creciendo, especialmente en el sector automotriz. Aunque los ultracondensadores en general siguen siendo un actor de nicho, la situación podría cambiar pronto.

Mi laboratorio en el MIT (el Laboratorio de Sistemas Electromagnéticos y Electrónicos) trabaja con varios fabricantes de automóviles para investigar formas de mejorar el rendimiento de los vehículos. Hace unos cuatro años, ayudé en un proyecto para evaluar ultracondensadores comerciales para su uso en automóviles. Durante un vuelo de Boston a Detroit, leí un artículo que describía una forma de hacer crecer nanotubos de carbono alineados verticalmente sobre una superficie plana. Este es un proceso realmente sorprendente. Se cubre una lámina de sílice con una capa de un espesor nanométrico de un catalizador de hierro. La lámina se coloca al vacío, se calienta a 650 °C y se expone a un gas hidrocarbonado fino, tal vez etanol o acetileno. El calor hace que el hierro forme pequeñas gotas que roban moléculas de carbono del gas. Luego, las moléculas de carbono comienzan a autoensamblarse formando tubos, que crecen hacia arriba desde cada una de las gotas.

En virtud de sus dimensiones, me llamó la atención que esos nanotubos prometían una porosidad aún mayor que la del carbón activado utilizado en los ultracondensadores comerciales. Juntos, los nanotubos tienen una enorme superficie y sus dimensiones son más uniformes que las de los poros del carbón activado, lo que los hace más parecidos a un pincel que a una esponja.

Hay dos limitaciones principales para la conductividad del carbón activado: la alta porosidad significa que no hay mucho material de carbón para transportar corriente, y el material debe "pegarse" al colector de corriente de aluminio usando un aglutinante, que exhibe una conductividad algo alta. resistencia. Si mis colegas y yo reemplazáramos el carbón activado con miles de millones de nanotubos, predijimos que podríamos fabricar un ultracondensador que podría almacenar al menos el 25 por ciento (y tal vez hasta el 50 por ciento) de la energía en una batería química de peso equivalente. (Para lograr esa mejora, también tendríamos que realizar una serie de otros cambios, como aumentar la cantidad de iones en el electrolito para reflejar ese espacio de almacenamiento recién descubierto).

Otra ventaja de los nanotubos sobre el carbón activado es que su estructura los hace menos reactivos químicamente, por lo que pueden operar a un voltaje más alto. Y ciertos tipos de nanotubos, dependiendo de su geometría, pueden ser excelentes conductores, lo que significa que pueden suministrar más energía que los ultracondensadores equipados con carbón activado [ver ilustración, "Acumulación de faradios"].

Aún mejor, este ultracondensador mejorado con nanotubos conservaría todas las ventajas que los ultracondensadores comunes tienen sobre las baterías: entregarían energía en ráfagas rápidas, funcionarían bien en climas fríos y tendrían una vida útil mucho más larga. Si se pudiera desarrollar este ultracondensador, sería revolucionario.

Desde el principio quedó claro que se necesitarían muchos conocimientos para fabricar un ultracondensador según nuestro diseño: conocimientos sobre deposición química de vapor, microscopía electrónica, ciencia de materiales y química cuántica. Y es un desafío reunir a personas con todas esas habilidades. Una de las fortalezas de una universidad de investigación es su increíble diversidad de experiencia y equipos, además de la voluntad de los profesores de colaborar. Nadie en mi laboratorio tenía experiencia en la fabricación de nanotubos de carbono, pero gran parte de las primeras investigaciones en esa área en el MIT se realizaron en el edificio de al lado, en un laboratorio bajo la dirección de Mildred Dresselhaus. Utilizando esas instalaciones y con la ayuda de Dresselhaus y sus colegas de laboratorio, logramos sintetizar un bosque de nanotubos en un pequeño trozo de sílice en sólo unos meses.

Los nanotubos pueden variar en tamaño, y los que estamos cultivando tienen aproximadamente 5 nm de ancho, o aproximadamente 1/10 000 del diámetro de un cabello humano. Cada tubo tiene aproximadamente 100 µm de largo y pueden estar separados por tan solo 5 nm [ver imagen, "Electric Shag", a continuación].

Pero la astilla de sílice fue sólo el comienzo. La sílice es un aislante y necesitábamos un material conductor. Después de más de un año de comienzos en falso, finalmente diseñamos y construimos un reactor personalizado para la deposición de vapor químico y lo utilizamos para cultivar nanotubos sobre un sustrato conductor. Ahora estamos empaquetando esta colección de nanotubos en un prototipo de ultracondensador.

Creemos que dentro de unos meses podremos demostrar resultados que superan a los diseños actuales por un amplio margen. En ese momento todavía habrá un gran desafío por delante: ver si nuestros dispositivos pueden fabricarse a precios que los hagan atractivos para las aplicaciones convencionales. Sin embargo, somos optimistas porque la deposición de vapores químicos ya se utiliza a gran escala en la fabricación de semiconductores y las materias primas que necesitamos son baratas.

No es un camino directo desde los ultracondensadores de alta densidad hasta los autos eléctricos prácticos, pero lo que mis colegas y yo hemos hecho puede constituir un gran paso en una ruta tortuosa para hacer que dichos vehículos sean más convenientes y atractivos para los consumidores. Incluso si pasan muchos años antes de que los ultracondensadores por sí solos puedan alimentar automóviles híbridos o eléctricos con batería completa, ya estamos en un punto en el que dichos dispositivos podrían ayudar fácilmente a las baterías de iones de litio [consulte la ilustración, "Cómo ultracapacitar un automóvil" ]. Cuando el motor eléctrico del coche necesita alta corriente durante un breve periodo de tiempo, el ultracondensador la suministra. Una vez que disminuye la demanda, el ultracondensador se recarga con la batería. Cuando el motor, que ahora funciona como generador, suministra alta corriente durante un breve intervalo (que es típicamente lo que sucede con el frenado regenerativo), sucede lo mismo a la inversa. Una computadora monitorearía los voltajes, el estado de carga, la carga y la demanda, y luego ajustaría el flujo de corriente en consecuencia utilizando algunos componentes electrónicos de potencia CC-CC adicionales. Es posible que el peso y el gasto adicionales involucrados no importen si mejoran el rendimiento del vehículo y hacen que la batería dure más.

Los ultracondensadores de células pequeñas se pueden utilizar en automóviles para otros fines además del tren motriz. Se pueden integrar en aire acondicionado, dirección asistida eléctrica, seguros eléctricos y sistemas de ventanas, componentes que exigen corrientes máximas elevadas, que normalmente requieren cableado de gran diámetro. La necesidad es intermitente y la potencia promedio es baja, por lo que tener ultracondensadores que proporcionen alta corriente en puntos estratégicos permitiría instalar un cableado más delgado. Con el alto precio del cobre en estos días, tales cambios pueden reducir una cantidad apreciable del costo de un vehículo.

La seguridad es otra motivación. Supongamos que un automóvil tiene frenos o cerraduras de puertas accionadas eléctricamente y el mazo de cables falla debido a un defecto o un accidente. Un ultracondensador local aún puede proporcionar energía durante unos preciosos segundos o minutos.

Estos dispositivos no se limitan en modo alguno a los vehículos. La sociedad se encuentra en medio de una crisis energética y muchas fuentes de energía verde se beneficiarían del almacenamiento de energía regenerativa. Las redes de energía eléctrica podrían ser un 10 por ciento más eficientes si existieran formas simples y económicas de almacenar energía localmente en el punto de uso. Y para que la energía renovable alguna vez desplace a los combustibles fósiles, los ingenieros tendrán que idear mejores formas de almacenar energía eólica cuando no sopla el viento y energía solar cuando no brilla el sol.

Por supuesto, mis colegas y yo no somos los únicos que investigamos la tecnología de ultracondensadores. Todos los fabricantes de ultracondensadores existentes, incluidos Maxwell Technologies, NessCap, Panasonic, Nippon Chemi-Con y Power Systems Co., están trabajando en carbones activados mejorados o dispositivos en los que un electrodo funciona como una batería y el otro como un ultracondensador. El gobierno japonés ha proporcionado 25 millones de dólares para la investigación de nanotubos, dinero que ha apoyado un prometedor esfuerzo conjunto entre Nippon Chemi-Con y AIST National Lab para explorar técnicas basadas en nanotubos. Investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer, en Troy, Nueva York, anunciaron recientemente, en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América, un interesante tejido ultracondensador combinado de batería y nanotubos para almacenar energía eléctrica.

Y los bosques de nanotubos no son la única forma de aumentar la porosidad. Power Systems, en Japón, por ejemplo, ha estado obteniendo buenos resultados con un tipo de estructura de grafeno que llama “nanogate”.

Existe un enfoque ligeramente diferente para los condensadores modificados que ha estado generando mucho revuelo últimamente, desarrollado por una nueva empresa llamada EEStor, en Cedar Park, Texas. EEStor se ha centrado en mejorar el dieléctrico, más que las placas del condensador. Su diseño utiliza titanato de bario, que tiene una constante dieléctrica alta. Las sustancias con una constante dieléctrica alta permiten la creación de condensadores de alto valor que aún son de tamaño pequeño. La desventaja es que estos materiales generalmente no pueden resistir campos electrostáticos de la misma intensidad que sustancias con baja constante dieléctrica, como el aire. EEStor afirma que los condensadores pueden funcionar a voltajes extremadamente altos, del orden de varios miles de voltios, lo que genera capacidades de almacenamiento muy altas. Una preocupación es que los altos voltajes pueden causar que un dieléctrico se rompa irreversiblemente en presencia de incluso ligeras imperfecciones en el material. Sólo el tiempo dirá cómo le irá a su diseño.

Mejorar sustancialmente los medios para almacenar energía eléctrica sería un avance bienvenido, y el almacenamiento capacitivo de alta densidad es una vía de investigación prometedora. Aunque las baterías y los condensadores son inventos antiguos, nuestra técnica particular no podría haberse desarrollado hasta hace poco. Así como los diseñadores de semiconductores han creado transistores cada vez más pequeños, los ingenieros de otras áreas han aprendido a manipular objetos con dimensiones cada vez más minúsculas. La capacidad de esculpir materiales a nivel atómico es nueva y está en evolución. Los ingenieros pueden utilizar estas nuevas técnicas para lograr propiedades novedosas y, en el caso de la investigación de mi laboratorio, avanzar hacia un carbono nanodiseñado que podría marcar el comienzo de la próxima generación de almacenamiento de energía.

JOEL SCHINDALL pasó 35 años trabajando en las industrias de telecomunicaciones y satélites antes de unirse a la facultad del MIT, donde ahora es director asociado del Laboratorio de Sistemas Electromagnéticos y Electrónicos.

Para obtener una descripción general de los ultracondensadores y sus aplicaciones, así como una serie de artículos técnicos gratuitos (previo registro), visite http://www.maxwell.com/ultracapacitors/technical-support/white_papers.asp.

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable, en Golden, Colorado, analiza su investigación sobre almacenamiento de energía en http://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/ultracapacitors.html.