Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

Descubre la innovadora tecnología de los ultracondensadores y su impacto revolucionario en el campo de las baterías. Prepárate para sumergirte en un mundo donde la energía se almacena y libera de manera ultrarrápida, ofreciendo soluciones eficientes y sostenibles para las necesidades energéticas del futuro. ¡No te pierdas este fascinante artículo sobre los ultracondensadores y su potencial para transformar nuestra forma de usar y almacenar la energía!

Los ultracondensadores al igual que los condensadores convencionales almacenan energía eléctrica en forma de campo electrostático. Sin embargo, un ultracondensador ideal no pierde la energía almacenada. Los condensadores de placas paralelas son la forma más simple de un condensador que tiene dos placas conductoras paralelas separadas por una cierta distancia (d). Entre las placas paralelas existen materiales aislantes como aire, mica, papel, aceite y cerámica, y estos materiales aislantes se denominan materiales dieléctricos.

El condensador almacena la energía eléctrica en forma de carga. La capacidad de almacenamiento de carga de un capacitor depende del voltaje y la capacitancia del capacitor. La capacitancia de un capacitor muestra su capacidad de almacenamiento de carga. El valor de capacitancia más alto de un capacitor para el mismo voltaje hará que almacene más carga debido a Q ∝ C. De manera similar, si el voltaje aumenta en las placas del capacitor manteniendo la misma capacitancia, almacenará más electricidad. energía debido a Q∝V.

Nota: Nunca aplique una tensión superior a la tensión nominal del condensador. Puede causar daño al capacitor.

Ahora, podemos establecer la relación entre Q, C y V.


Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

La capacitancia de un capacitor es C= Q/V, por lo tanto la unidad de capacitancia es el culombio/voltio. Podemos llamar a Coulomb/volt como el Farad (F). Cuando una carga de 1 coulomb causa una diferencia de potencial de 1 volt entre las placas, entonces la capacitancia de un capacitor es de 1 faradio. Las unidades más pequeñas de capacitancia son el microfaradio (μF), el nanofaradio (nF) y el picofaradio (pF).

La relación entre las diferentes unidades de capacitancia se da a continuación.

Unidad de capacitancia Valor de capacitancia Faradio equivalente
Milifaradio (mF) 1mF 10-3 F
Microfaradio (μF) 1μF 10-6 F
Nanofaradio (nF) 1nF 10-9 F
Picofaradio (pF) 1pF 10-12 F

Los ultracondensadores o supercondensadores están disponibles en un tamaño muy pequeño con un valor de capacitancia en el rango de milifaradios (mF) a diez faradios. Un capacitor que tiene un gran valor de capacitancia puede almacenar más energía. La relación entre la carga y la energía almacenada en el capacitor se muestra a continuación.

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

De la ecuación anterior, está claro que un capacitor que tiene un valor de capacitancia grande puede almacenar más energía eléctrica en comparación con un capacitor con un valor de capacitancia pequeño. Ahora, veremos cómo podemos aumentar la capacitancia de un capacitor. La capacitancia de un capacitor depende de la permitividad (ε), el área de las placas (A) y la distancia de separación (d) entre las placas. La capacitancia del condensador de placas paralelas es;

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

De la ecuación anterior, está claro que si aumentamos el área (A) de las placas, aumentamos la permitividad del medio (ε) y reducimos la distancia entre las placas (d), podemos obtener una capacitancia mayor que puede almacenar la más energía eléctrica. El mismo concepto se utiliza en ultracondensadores.

Por lo tanto, el ultracondensador o supercondensador tiene una gran superficie de placa conductora (A) y una pequeña distancia (d) entre las placas conductoras. También tiene un medio dieléctrico diferente al capacitor convencional. El condensador convencional tiene materiales dieléctricos sólidos y secos como polietileno, papel, mica, teflón, etc. Por otro lado, los ultracondensadores tienen dieléctrico húmedo o líquido entre las placas y, por lo tanto, estos condensadores tienen una gran permitividad en comparación con los condensadores convencionales.


Los ultracondensadores almacenan la energía eléctrica en forma de campo eléctrico similar a los condensadores convencionales. Sin embargo, los ultracondensadores pueden almacenar una gran cantidad de energía eléctrica porque tienen una capacitancia mayor.

Construcción de Ultracondensadores

En la siguiente imagen se muestra una construcción de ultracondensadores.

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

Los electrodos revestidos de doble cara tienen carbono de grafito en forma de carbono conductor activado, nanotubos de carbono o geles de carbono. Tiene un separador hecho de papel poroso que permite el paso de los iones positivos mientras bloquea los electrones más grandes. Luego, el separador de papel y los electrodos de carbón se impregnan con electrolito líquido con una lámina de aluminio.

Aunque los electrodos de carbón de doble capa y el separador son muy delgados, el área de superficie efectiva es de miles de metros cuadrados después de enrollarlos juntos. Por eso, los ultracondensadores tienen una capacitancia mayor y tienen una mayor capacidad para almacenar energía eléctrica aun siendo de tamaño compacto.

Los ultracondensadores son excelentes dispositivos de almacenamiento de energía porque tienen un alto valor de capacitancia, del orden de cientos de faradios. La construcción de doble capa de los ultracondensadores forma dos condensadores, uno en cada electrodo de carbono. Por lo tanto, los ultracondensadores también se denominan condensadores de doble capa que forman dos condensadores en serie.

El tamaño pequeño del ultracondensador crea una limitación para mantener el bajo voltaje en la celda del ultracondensador porque la clasificación de voltaje del capacitor está determinada por el voltaje de descomposición del electrolito. El voltaje de la celda del capacitor está típicamente en el rango de 1 a 3 voltios, que es el factor limitante para el almacenamiento de energía eléctrica.

La solución a este problema es que las celdas de los ultracondensadores se conectan en combinaciones serie y paralelo para aumentar la capacidad de almacenamiento de energía eléctrica. Por lo tanto, cuando conectamos los condensadores en serie y combinación en paralelo, el voltaje nominal del terminal aumenta de 1 a 3 voltios a decenas de voltios.

Aumento del valor de los ultracondensadores

El valor de capacitancia de los ultracapacitores se puede aumentar conectando los capacitores en conexiones en paralelo y en serie.


Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

Cuando conectamos capacitores en paralelo, su valor de capacitancia aumenta y, por lo tanto, conectando capacitores en paralelo podemos obtener un valor de capacitancia mayor. Como sabemos, la energía almacenada en el capacitor depende tanto de la capacitancia como del voltaje. Las conexiones en paralelo de los capacitores aumentan la capacitancia, pero ¿qué se debe hacer para aumentar el voltaje? Podemos aumentar el voltaje conectando los capacitores en serie.

Las conexiones en serie y en paralelo de los capacitores, por lo tanto, aumentan la capacitancia y la capacidad de almacenamiento de energía.

Dejar,

P = Número de columnas en la matriz de condensadores
Q= Número de filas en la matriz de capacitores
VCELÚLA= Voltaje de cada celda

El voltaje total que aparece en la terminal del capacitor es;

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

La capacitancia total es;


Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

Nota: Al igual que las baterías, los ultracondensadores o supercondensadores tienen polaridad con un terminal positivo marcado en el cuerpo del condensador.

Ultracondensadores Ejemplo No1

Un circuito electrónico requiere un ultracondensador de 6 voltios y 3 faradios para respaldo de almacenamiento de energía. Si la clasificación del ultracondensador individual es de 3 V, 1,0 celdas F, calcule la cantidad de celdas requeridas y el diseño de la matriz.

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

Por lo tanto, la matriz tendrá dos celdas de condensador de 3 voltios cada una conectadas en serie y proporcionando 6 voltios.

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

La matriz tendrá un total de seis columnas individuales. Por lo tanto, los ultracondensadores tienen una matriz de 6 X 2, como se muestra en la siguiente imagen.

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

Energía de ultracondensador

Los ultracondensadores, como los condensadores convencionales, almacenan la energía como una carga en el campo eléctrico entre las placas. Siempre existirá una diferencia de potencial entre las placas cuando un capacitor tenga carga. Cuando un capacitor se carga con una fuente de voltaje V, el voltaje en su terminal se vuelve igual al voltaje de suministro al cargarse por completo.

Después de cargar completamente el capacitor, la corriente de carga deja de fluir. Ahora, si eliminamos el voltaje de suministro, el voltaje del terminal del capacitor permanecerá en el potencial del voltaje de suministro.

Cuando el capacitor está conectado a una carga eléctrica, suministra energía eléctrica a la carga y gradualmente cae su voltaje terminal. Cuando el capacitor se descarga por completo, no puede suministrar corriente a la carga y ahora, necesitamos recargar nuevamente el ultracapacitor.

La energía almacenada en un capacitor es proporcional a la capacitancia C y al cuadrado del voltaje V a través de su terminal. Por tanto, la energía almacenada en un condensador es;

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

Energía almacenada en un condensador tomando nuestro ejemplo de ultracondensador anterior,

Ultracondensadores y la batería de ultracondensadores

Por lo tanto, el ultracondensador almacena la energía de 54 julios cuando se conecta a una fuente de alimentación de 6 voltios. Después de cargar el condensador, los 54 julios de energía completos están disponibles y cuando se conecta a la carga, entrega esta energía y, finalmente, al descargarse, la energía almacenada se vuelve cero.

Ahora, el capacitor está listo para recibir energía de la fuente de energía externa para cargar y almacenar la energía. Después de la carga, la energía almacenada se puede entregar a la carga eléctrica.

El ultracondensador tiene un valor de capacitancia del orden de miles de faradios y un voltaje del orden de cientos de voltios. Así, los ultracondensadores son capaces de almacenar gran cantidad de energía eléctrica. Una gran característica de almacenamiento de energía eléctrica de los ultracondensadores los hace adecuados para aplicaciones como frenado eléctrico, vehículos eléctricos y energía renovable.

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