Tecnologías de supercondensadores: ¿está el grafeno alcanzando por fin su máximo potencial?

Los supercondensadores han sido aclamados en ocasiones como sustitutos de las baterías de iones de litio (LIB), ofreciendo una variedad de ventajas convincentes, incluyendo mayor seguridad, carga/descarga más rápida y una vida útil más larga. A pesar de los avances, las diferencias fundamentales entre ambas tecnologías limitan la densidad energética de las tecnologías de supercondensadores basadas en grafeno, lo que hace improbable que sustituyan a las LIB en el futuro. Sin embargo, están listos para otras aplicaciones reales donde actúan como dispositivos de almacenamiento de energía complementarios, particularmente en el sector del transporte.

Tecnologías de supercondensadores frente a baterías

Para entender por qué los supercondensadores no han sustituido a las baterías, es importante comprender las diferencias entre estos dos tipos de dispositivos, que derivan de sus arquitecturas (Figura 1).

• Las baterías tienen una alta densidad energética pero una baja densidad de potencia (descarga de energía más lenta), lo que las hace adecuadas para aplicaciones a largo plazo donde se necesita una liberación de energía constante y lenta.
• Los supercondensadores tienen una densidad energética menor pero una mayor densidad de potencia (descarga de energía más rápida). Como resultado, no pueden almacenar tanta energía como las baterías, pero pueden cargarse y descargarse mucho más rápido. Esta propiedad los hace más adecuados para aplicaciones en las que se necesitan ráfagas rápidas de energía y donde pueden recargarse fácilmente.

Las diferencias en la densidad de energía y potencia se deben a la forma en que cada una de estas tecnologías almacena las cargas, lo que afecta a su capacitancia y densidad energética.

• Las baterías almacenan y liberan energía electroquímicamente, limitando su tasa de carga-descarga a la cinética de las reacciones electroquímicas correspondientes. Los iones se intercalan dentro del electrodo, no en la superficie, lo que obliga a los iones a difundirse a través de los electrodos y ralentiza aún más su tasa de carga-descarga.
• Los supercondensadores almacenan energía electrostáticamente en las superficies de sus electrodos. La energía se libera mediante un simple movimiento de iones en lugar de una reacción electroquímica más lenta. Debido a que las cargas (iones) se almacenan solo en la superficie del electrodo y no se intercalan iones dentro del material activo, solo la superficie participa en el proceso de carga-descarga, proporcionando una densidad energética mucho menor que la de las baterías.

El grafeno está a la vanguardia de las mejoras en la densidad energética de las tecnologías de supercondensadores

Aunque sus diferencias fundamentales hacen improbable que los supercondensadores sustituyan a las baterías, la investigación sigue centrada en mejorar la densidad energética. Dado que la superficie del material activo es el principal lugar de almacenamiento de carga, los esfuerzos de investigación se centran en desarrollar materiales activos con una gran área superficial para aumentar el número de iones adsorbidos, aumentando así la capacitancia y la densidad energética de los supercondensadores.

Los materiales carbonosos, particularmente el carbón activado y el grafeno, son materiales activos comunes, siendo el grafeno cada vez más popular debido a su mayor conductividad eléctrica. Sin embargo, el grafeno es más difícil y costoso de producir y suele tener un área superficial teórica menor que el carbón activado, lo que dificulta su uso en supercondensadores a escala industrial. Dado que el grafeno ha estado en el centro de las innovaciones de materiales activos en supercondensadores, es importante comprender los diversos factores que dificultan su adopción.

Principales barreras que limitan el uso de electrodos de grafeno

La síntesis fiable de grafeno de calidad a escala industrial sigue siendo difícil

Las mismas propiedades que hacen del grafeno un material excelente para las tecnologías de supercondensadores exigen condiciones de síntesis estrictas. Esto hace que el grafeno sea difícil de sintetizar de forma fiable, especialmente a escala industrial. Más preocupante aún es que, incluso si se pudiera sintetizar a escala industrial, es posible que el grafeno no tenga la calidad suficiente para su uso en supercondensadores. Un estudio de 2018 analizó varias docenas de productos de grafeno y descubrió que ninguno contenía más de un 50% de grafeno. Un estudio similar, aunque más limitado, realizado en 2020 comparó el grafeno y el carbón activado para demostrar que la capacitancia específica de los supercondensadores basados en grafeno era notablemente inferior a la del carbón activado, probablemente debido a la presencia de óxido de grafeno. Dado que estos estudios se realizaron antes de la publicación de las normas ISO sobre grafeno en 2021, es necesario un estudio de seguimiento para analizar cuidadosamente la calidad del grafeno disponible en el mercado.

El grafeno es costoso de producir

El control riguroso de sus condiciones de síntesis requiere el uso de equipos y procesos especializados que no son ideales para la producción industrial, lo que dificulta la consecución de economías de escala para los supercondensadores basados en grafeno. Una vez producido, el grafeno requiere técnicas de caracterización costosas y altamente sensibles para confirmar que su calidad cumple con las normas ISO. Esto crea otra barrera de entrada importante, especialmente para las empresas más pequeñas, y dificulta el desarrollo de tecnologías de supercondensadores basadas en grafeno.

Las láminas de grafeno son propensas a la aglomeración

Una vez sintetizadas, las fuertes interacciones π-π provocan que las láminas individuales de grafeno se vuelvan a apilar y se aglomeren, lo que reduce el área superficial electroquímicamente activa. Esto limita la densidad energética de los supercondensadores. Una empresa, Skeleton Technologies, ha encontrado una forma de inhibir estas interacciones y evitar el re-apilamiento mediante el uso de grafeno curvado en sus supercondensadores. Aunque las noticias se han centrado en cómo el grafeno curvado supone un gran avance (ya en 2010 se informó sobre un supercondensador basado en grafeno curvado), la empresa que patrocinó esta investigación no ha comunicado novedades sobre nuevos desarrollos en casi una década.

Investigación académica sobre tecnología de supercondensadores de grafeno

Tendencias recientes de publicación en la investigación de supercondensadores

Como muestran las tendencias de publicación en las figuras anteriores, los supercondensadores basados en grafeno siguen siendo un tema de investigación popular (Figura 2). Aunque el grafeno sigue dominando el panorama de la investigación en supercondensadores, los supercondensadores basados en polímeros conductores también han surgido como un foco de investigación (Figura 3). Si bien el número de publicaciones tanto para el grafeno como para los supercondensadores de polímeros conductores comenzó a disminuir ligeramente en 2020, las publicaciones sobre supercondensadores basados en materiales lignocelulósicos continuaron aumentando hasta 2021 (Figura 4), lo que sugiere potencialmente un mayor enfoque en los materiales sostenibles.

Aunque la investigación académica ha avanzado, la vida útil de los ciclos reportada en dispositivos a escala de laboratorio ha sido a menudo mucho menor que la reportada habitualmente para los supercondensadores comerciales, que suele ser del orden de 1 millón de ciclos. La densidad energética también sigue siendo un problema, ya que los supercondensadores solo pueden alimentar dispositivos durante periodos muy cortos.

• A finales de 2022, investigadores de la Universidad de Tsinghua informaron sobre un supercondensador de grafeno flexible que conservaba casi el 99% de su rendimiento después de 10.000 ciclos y una ventana de voltaje de carga/descarga de 3V. Este supercondensador alimentó varios dispositivos electrónicos pequeños, incluidos un LED y una calculadora, pero generalmente durante no más de unos pocos segundos.
• En otro estudio de 2022, un grupo del Imperial College de Londres desarrolló un supercondensador de grafeno tejido. Cuando se utilizó como sensor de presión, mostró un tiempo de respuesta rápido de solo 0,6 segundos, pero su capacitancia decayó a aproximadamente el 90% después de solo 10.000 ciclos.

Supercondensadores híbridos de iones de litio

Para cerrar la brecha entre los supercondensadores y las baterías, pueden ser necesarias diferentes arquitecturas de dispositivos. Los supercondensadores híbridos de iones de litio combinan la larga vida útil de los supercondensadores con la alta densidad energética de las baterías. Para lograr esto, el proceso de carga-descarga implica dos mecanismos: intercalación/desintercalación de iones de litio (ánodo tipo batería) y adsorción/desorción de aniones (cátodo tipo condensador), como se muestra en la Figura 5. Los supercondensadores híbridos resultantes pueden mostrar una densidad energética varias veces superior a la de un supercondensador tradicional equivalente.

Sin embargo, si el electrodo tipo condensador utiliza un material activo basado en grafeno, también será susceptible a los mismos problemas que afectan a los supercondensadores no híbridos. Además, la naturaleza híbrida de los supercondensadores de iones de litio significa que, si bien muestran las ventajas tanto de las baterías como de los supercondensadores, también conservan algunas de las desventajas. Aunque pueden mostrar una mayor densidad energética y menor autodescarga y corriente de fuga que los supercondensadores, también muestran una vida útil más corta en ciclos a largo plazo y sufren de una cinética lenta de litiación/delitiación en el ánodo. Una publicación reciente informó sobre un condensador híbrido de iones de litio que conservó el 100% de su capacitancia después de 19.000 ciclos a una densidad energética de 100 W h kg^-1.

¿Reemplazarán los supercondensadores a las baterías?

Tanto el ámbito académico como el industrial trabajan para mejorar el rendimiento de diversas tecnologías de supercondensadores, pero es poco probable que estos dispositivos ofrezcan un rendimiento a largo plazo comparable al de las baterías de iones de litio a menos que se superen sus limitaciones fundamentales y los obstáculos de ingeniería.

• Los supercondensadores tienen densidades de energía específica más bajas. Aunque el grafeno curvado evita la aglomeración de las láminas de grafeno, los supercondensadores poseen densidades de energía inferiores a las de las baterías debido a sus diferentes mecanismos de almacenamiento de carga. Sin un avance significativo, se seguirán necesitando varios supercondensadores para igualar la densidad energética de una sola batería de iones de litio.
• Los supercondensadores sufren una autodescarga excesiva. Los supercondensadores tienen ciclos de vida largos y pueden mantener una alta capacitancia, pero sufren una autodescarga mucho más severa que las baterías. Mientras que una batería puede perder solo un 5% de su carga almacenada en aproximadamente un mes, los supercondensadores pueden perder hasta un 50%. Esto puede no ser un problema en aplicaciones donde se pueden descargar y recargar rápidamente, pero afecta a su almacenamiento de energía a largo plazo.
• Los supercondensadores basados en grafeno son más costosos. Dado que los supercondensadores basados en grafeno son una tecnología más reciente, su producción aún no ha alcanzado economías de escala. Además, debido a requisitos de calidad más estrictos, el grafeno sigue siendo más caro de producir que el carbón activado. Aunque algún día pueda ofrecer un rendimiento superior al del carbón activado, el uso de grafeno también incrementa el precio de los supercondensadores resultantes.
• Las aplicaciones de los supercondensadores basados en grafeno no están probadas en gran medida. Como ocurre con cualquier tecnología nueva, el éxito de los primeros productos en el mercado es fundamental para el éxito de las líneas de productos posteriores. Ninguna de las tecnologías de supercondensadores basadas en grafeno ha sido investigada a largo plazo, y la mayoría solo se ha instalado en un número limitado de unidades.

Aplicaciones actuales y futuras de las tecnologías de supercondensadores

Sector del transporte

A pesar de los desafíos mencionados que impiden que los supercondensadores sustituyan a las baterías, han encontrado aplicaciones en el mundo real, aunque las basadas en grafeno aún están emergiendo. Algunas de las aplicaciones más destacadas se han dado en el sector del transporte:

• Se han desplegado flotas de autobuses propulsados por supercondensadores en China y Serbia. Una de estas flotas tiene una autonomía declarada de 25 km y tarda entre seis y siete minutos en cargarse. Para superar la baja densidad energética de los supercondensadores, y por tanto la autonomía limitada por carga, los autobuses se recargan en las cocheras o en las paradas.
• Skeleton Technologies produce un supercondensador basado en grafeno para su uso en trenes que puede recuperar hasta un 30% de la energía perdida durante el frenado. Esta tecnología ha sido seleccionada para los nuevos trenes del metro de Granada en España, cuya entrada en servicio está prevista para el verano de 2024.
• Samsung comercializa un híbrido de iones de litio para aplicaciones de automoción, adecuado para sistemas de bajo voltaje donde se requiere una carga y descarga rápida.

Electrónica personal

Aunque se han utilizado con éxito en algunas aplicaciones, es poco probable que los supercondensadores sustituyan a las baterías de iones de litio para alimentar pequeños dispositivos electrónicos personales. Incluso Skeleton Technologies ha señalado que sus supercondensadores SkelCap de 3V están destinados a utilizarse en combinación con baterías, no como sustitutos. Los SkelCaps tienen una energía específica aproximadamente un orden de magnitud inferior a la de las baterías de iones de litio, lo que significa que se necesitarían varios para obtener la misma densidad energética que una sola batería. Para alimentar pequeños dispositivos electrónicos personales como teléfonos inteligentes y cámaras, es poco probable que los consumidores estén interesados en recargar sus dispositivos tras un breve periodo de uso, independientemente de la rapidez con la que puedan cargarse.

Conclusiones

Aunque han encontrado varias aplicaciones interesantes en el sector del transporte, los supercondensadores no son actualmente alternativas viables a las baterías de iones de litio. A menos que los esfuerzos de investigación logren avances importantes en términos de densidad energética y tasa de autodescarga, como mediante el uso de supercondensadores híbridos de iones de litio, seguirán siendo dispositivos de almacenamiento de energía complementarios. Además, es probable que cualquier dispositivo basado en grafeno experimente los mismos inconvenientes que los supercondensadores no híbridos debido a los problemas relacionados con los materiales activos de grafeno.

Continúe explorando nuestros recursos sobre energía sostenible leyendo “Un futuro más verde: baterías de iones de litio y pilas de combustible de hidrógeno.”