¿Cómo se descarga un ultracondensador?

Introducción a los ultracondensadores

A diferencia de las fuentes de energía químicas tradicionales, los ultracondensadores son un tipo de fuente de energía con propiedades especiales entre los condensadores tradicionales y las baterías. Se basan principalmente en dobles capas eléctricas y pseudocondensadores redox para almacenar energía eléctrica. Sin embargo, en el proceso de almacenamiento de energía de los ultracondensadores no se produce ninguna reacción química. Este proceso de almacenamiento de energía es reversible, y precisamente por ello el ultracondensador puede cargarse y descargarse repetidamente cientos de miles de veces. Los detalles específicos de la estructura del ultracondensador dependen de su aplicación y uso. Estos materiales pueden variar ligeramente debido al fabricante o a las necesidades específicas de la aplicación. Lo común en los ultracondensadores es que contienen un electrodo catódico, un electrodo anódico y un separador entre los dos electrodos, y el electrolito llena los dos poros separados por los dos electrodos y el separador. El ultracondensador se compone de materiales de electrodos porosos con una elevada superficie específica, separadores de baterías porosos y electrolitos. Nuestro sitio web tiene otro artículo 5 principales empresas de separadores de baterías sobre el separador de baterías que le ayudará a saber más sobre el separador de baterías. El separador debe cumplir las condiciones de tener una conductancia iónica lo más alta posible y una conductancia electrónica lo más baja posible, y generalmente es un material aislante electrónico con una estructura de fibra, como una película de polipropileno. El tipo de electrolito se selecciona en función de las propiedades del material del electrodo.

Clasificación de los ultracondensadores

Según los distintos mecanismos de almacenamiento de energía de los ultracondensadores, pueden dividirse en las dos categorías siguientes: ● Capacitancia eléctrica de doble capa: Como un ultracondensador, se genera por la confrontación de cargas causada por la disposición direccional de electrones o iones en la interfaz electrodo/solución. Para un sistema electrodo/solución, se forma una doble capa eléctrica en la interfaz del electrodo conductor electrónico y la solución electrolítica conductora iónica. Cuando se aplica un campo eléctrico a los dos electrodos, los aniones y cationes de la solución migran a los electrodos positivo y negativo, respectivamente, formando una doble capa eléctrica en la superficie de los electrodos. Una vez eliminado el campo eléctrico, las cargas positiva y negativa de los electrodos atraen a los iones de carga opuesta de la solución para estabilizar la doble capa eléctrica, lo que da lugar a una diferencia de potencial relativamente estable entre los electrodos positivo y negativo. En este momento, para un electrodo determinado, se generará una carga iónica anisotrópica equivalente a la carga del electrodo dentro de una cierta distancia (capa de dispersión), de modo que se mantiene la neutralidad eléctrica. Cuando los dos polos se conectan al circuito externo, las cargas de los electrodos migran para generar una corriente en el circuito externo, y los iones de la solución migran a la solución para ser eléctricamente neutros. Éste es el principio de carga y descarga del condensador eléctrico de doble capa. ● Cuasicapacitancia de Faraday: Como ultracondensador, su modelo teórico fue propuesto por primera vez por Conway. Se trata de una deposición subpotencial de sustancias electroactivas en la superficie del electrodo y cerca de la superficie o en un espacio bidimensional o cuasi bidimensional en fase masiva, y se producen reacciones químicas de desorción y REDOX altamente reversibles para generar una capacitancia relacionada con el potencial de carga del electrodo. En los cuasicondensadores de Faraday, el proceso de almacenamiento de cargas incluye no sólo el almacenamiento en la doble capa eléctrica, sino también las reacciones redox entre los iones del electrolito y los materiales activos del electrodo. Cuando los iones del electrolito (como H+, OH-, K+ o Li+) se difunden desde la solución al electrodo o a la interfase de la solución bajo la acción del campo eléctrico externo, entrarán en la fase masiva del óxido activo en la superficie del electrodo a través de la reacción REDOX en la interfase, de modo que se almacena una gran cantidad de carga en el electrodo. Al descargarse, estos iones que entran en el óxido volverán al electrolito a través de la reacción inversa de la reacción REDOX anterior y, al mismo tiempo, la carga almacenada se liberará a través del circuito externo, que es el mecanismo de carga y descarga del cuasicondensador de Faraday.

Ventajas e inconvenientes del ultracondensador

Ventajas del ultracondensador

● La capacitancia del nivel Farad se puede alcanzar en un pequeño volumen; ● No hay necesidad de circuito de carga especial y circuito de descarga de control; ● En comparación con las baterías, la sobrecarga y la sobredescarga no tendrán un impacto negativo en su vida útil; ● Considerando desde la perspectiva de la protección del medio ambiente, es una energía verde; ● El ultracondensador se puede soldar, por lo que no hay problemas como el contacto débil de las baterías.

Desventajas del ultracondensador

● Un uso inadecuado puede provocar fugas de electrolito y otros fenómenos; ● En comparación con los condensadores electrolíticos de aluminio, su resistencia interna es mayor, por lo que no pueden utilizarse en circuitos de corriente alterna.

La razón por la que el ultracondensador se llama "ultra"

Un ultracondensador puede verse como dos placas de electrodos porosas inactivas suspendidas en un electrolito. Cuando se aplica energía a la placa, la placa catódica atrae los iones anódicos del electrolito, y la placa anódica atrae los iones catódicos, lo que en realidad forma dos capas de almacenamiento capacitivo. Los iones catódicos separados están cerca de la placa negativa, y los iones anódicos están cerca de la placa catódica. puede verse como dos placas de electrodos porosas inactivas suspendidas en un electrolito. Cuando se aplica energía a la placa, la placa catódica atrae a los iones anódicos en el electrolito, y la placa anódica atrae a los iones catódicos, lo que en realidad forma dos capas de almacenamiento capacitivo. Los iones catódicos separados están cerca de la placa anódica, y los iones anódicos están cerca de la placa catódica. El ultracondensador almacena energía en las cargas separadas, y cuanto mayor sea el área utilizada para almacenar las cargas y más densas sean las cargas separadas, mayor será la capacitancia. En comparación con el ultracondensador, el área de los condensadores tradicionales es el área plana del conductor. Para obtener una mayor capacidad, el material conductor se enrolla durante mucho tiempo y, a veces, se utiliza una estructura especial para aumentar su superficie. En los condensadores tradicionales, se utilizan materiales aislantes para separar sus dos placas polares, generalmente películas de plástico, papel, etc. Se suele exigir que estos materiales sean lo más finos posible. La superficie del ultracondensador se basa en un material poroso de carbono cuya estructura porosa le permite alcanzar una superficie de 2000 m2/g, con algunas medidas que permiten una superficie mayor. La distancia a la que se separan las cargas del ultracondensador viene determinada por el tamaño de los iones del electrolito atraídos por los electrodos cargados. Esta distancia (<10 Å) es inferior a la que puede conseguirse con los materiales convencionales de las películas de condensadores. La enorme superficie combinada con la pequeñísima distancia de separación de cargas hace que el ultracondensador tenga una capacidad electrostática sorprendentemente grande en comparación con el condensador tradicional, que es también su "ultra".

Control de la descarga del ultracondensador

La resistencia de los ultracondensadores impide que se descarguen rápidamente. La constante de tiempo τ del ultracondensador oscila entre 1 y 2 s. Los circuitos resistivos y capacitivos tardan aproximadamente 5τ en descargarse por completo, lo que significa que un cortocircuito tarda entre 5 y 10s en descargarse (debido a la estructura especial de los electrodos, en realidad tardan varias horas en descargar por completo la carga residual). Los ultracondensadores pueden cargarse y descargarse rápidamente, la corriente máxima sólo está limitada por su resistencia interna e incluso un cortocircuito no es fatal. De hecho, depende del tamaño de la célula del condensador. Para cargas coincidentes, la célula pequeña puede poner 10A, y la célula grande puede poner 1000A. Otra condición que limita la velocidad de descarga es el calor. La descarga repetida a un ritmo agresivo aumentará la temperatura del condensador y eventualmente conducirá a un circuito abierto.