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MOTOR. Superconductores o baterías eléctricas

La pugna por el vehículo eléctrico. 
Tienen importantes ventajas sobre las baterías: son mucho más ligeras, más rápidos de cargar, más seguros y no tóxicos. No obstante, hay algunas áreas en las que las baterías destacan, al menos por ahora.


¿Qué es un ultracapacitor?
Los ultracapacitores, también llamados supercondensadores, son un sistema de almacenamiento de energía que ha ido ganando popularidad en los últimos años. Pueden considerarse como una especie de cruce entre un condensador común y una batería, pero diferente de ambos. 

Al igual que una batería, las células ultracapacitadoras tienen un electrodo positivo y negativo separados por un electrolito. Pero, a diferencia de las baterías, los ultracondensadores almacenan energía electrostáticamente (como un condensador) en lugar de químicamente, como una batería.

Los ultracondensadores también tienen un separador dieléctrico que divide el electrólito, al igual que un condensador. Esta estructura de celda interna permite que los ultracapacitores tengan una densidad de almacenamiento de energía muy alta, especialmente cuando se compara con un condensador normal. En comparación con las baterías, los ultracapacitores almacenan menos energía que una batería de tamaño similar. Pero, son capaces de liberarla mucho más rápidamente ya que la descarga no depende de que se produzca una reacción química.

Otro gran beneficio de ellos es que pueden cargarse muchas veces con poca degradación (no es infrecuente que exceda de 1 millón de ciclos de carga / descarga). Esto se debe a que no se producen cambios físicos o químicos cuando se almacena una carga dentro de ellos. El material de electrodo más utilizado para supercondensadores es el carbono en diversas formas, como carbón activado, tela de fibra de carbono, carbono derivado de carburo, aerogel de carbono, grafito (grafeno) y nanotubos de carbono (CNT).


“Los supercondensadores se utilizan en aplicaciones que requieren muchos ciclos rápidos de carga / descarga en lugar de un almacenamiento de energía compacto a largo plazo. Además, se utilizan en paquetes de refuerzo de automóviles y bancos de potencia.


Módulos de 48 Voltios. Maxwell Technologies


¿Pueden sustituir a las baterías?
La respuesta a esta pregunta depende mucho de la aplicación deseada. Ambos ofrecen ventajas y desventajas sobre el otro. Como se mencionó anteriormente, las baterías tienen una densidad de energía mayor que los ultracapacitores. Esto significa que son más adecuados para aplicaciones de mayor densidad de energía y pueden permitir que un dispositivo funcione durante más tiempo. Los ultracapacitores tienen una densidad de potencia mucho mayor que las baterías. Esto los hace ideales para aplicaciones de alto drenaje, como impulsar un automóvil en la aceleración.

Los ultracapacitores tienen una vida útil mucho más larga que las baterías. Una batería normal puede manejar alrededor de 2000-3000 ciclos de carga y descarga, mientras que los ultracapacitores generalmente pueden soportar más de 1,000,000. Los ultracapacitores son mucho más seguros y considerablemente menos tóxicos. No contienen sustancias químicas dañinas ni metales pesados ​​y es muy poco probable que exploten como puede ocurrir con las baterías.

Los ultracapacitores tienen un rango de operación mucho mayor en comparación con las baterías. Pueden operar dentro de rangos de entre -40 y +65 grados Celsius. Los ultracapacitores pueden cargarse y descargarse mucho más rápidamente que las baterías, generalmente en segundos. Las baterías, por otro lado, se cargan mucho más lentamente (según el tamaño y el curso de carga).

“Los ultracapacitores también son mucho más eficientes en la autodescarga que las baterías.

Muchos ultracapacitores también tienen una vida útil mucho más larga en comparación con las baterías. Por ejemplo, las celdas SkelCap, pueden durar hasta 15 años con poca o ninguna disminución en la capacidad. Al igual que con cualquier tecnología, el principal impulso para su aplicación es su coste. Los ultracapacitores tienden a ser la opción más económica en el largo plazo para aplicaciones que necesitan pequeñas ráfagas de energía.

“Las baterías son una opción mucho mejor para aplicaciones que requieren una corriente constante y de baja intensidad en el tiempo.

Extreme Hybrid™ Technology: Drivetrain Overview

¿Pueden los ultracondensadores reemplazar a las baterías en los vehículos eléctricos?
Como hemos visto, los ultracapacitores son los más adecuados para situaciones en las que se necesita mucha potencia en poco tiempo. En términos de automóviles eléctricos, esto significaría que serían mejores que las baterías cuando el vehículo necesita gestionar demandas intensas de energía, como durante la aceleración.

De hecho, esto es justo lo que Toyota ha hecho con el prototipo Yaris Hybrid-R. Utiliza un supercapacitor para este propósito. PSA Peugeot Citroen también ha comenzado a emplear ultracondensadores como parte de sus sistemas de ahorro de combustible en arranque y parada. Esto permite una aceleración inicial mucho más rápida. El sistema i-ELOOP de Mazda también utiliza ultracapacitores para almacenar energía durante la desaceleración. La energía almacenada se utiliza para los sistemas de arranque y parada del motor.

Para la conducción general, los ultracapacitores no son un sustituto de las baterías en los vehículos eléctricos, todavía. Por esta razón, es probable que las baterías, como Li-Ion, sean la fuente de alimentación necesaria para los EV en el futuro cercano o lejano, hasta que se pueda desarrollar una mejor alternativa.

Muchos creen que es más probable que los ultracapacitores sean cada vez más comunes como sistemas de regeneración de energía durante la desaceleración. Esta energía almacenada se puede reutilizar durante períodos de aceleración en lugar de reemplazos directos de las baterías.

Sin embargo, según un último estudio, podrían tener aplicaciones en vehículos híbridos en lugar de baterías cuando la demanda de potencia es menor que la capacidad de potencia del motor eléctrico; cuando la demanda de potencia del vehículo supera a la del motor eléctrico, el motor trabaja para satisfacer la demanda de energía del vehículo, además de proporcionar la energía necesaria para recargar la unidad supercapacitora.

Investigaciones recientes sobre supercapacitores basados ​​en grafeno podrían significar que los días de la batería en los autos eléctricos podrían terminar pronto. El estudio, una colaboración entre científicos de la Universidad Rice y la Universidad de Tecnología de Queensland, ha sido publicado en el “Journal of Power Sources and Nanotechnology”.

La solución consistiría en dos capas de grafeno con una capa de electrolito entre ellas. Esta película es fuerte, y puede liberar grandes cantidades de energía en poco tiempo. Pero esto no es más que un supercapacitador después de todo. Lo que hace diferente a este estudio es que sugieren que las baterías podrían reemplazarse con grandes cantidades de supercapacitores en futuros vehículos eléctricos como sustituto de baterías voluminosas.

Esto podría incluir su integración en paneles de carrocería, paneles de techo, pisos e incluso puertas, por ejemplo. En teoría, esto podría proporcionarle al vehículo toda la energía que necesita y hacerlo mucho más liviano que los vehículos eléctricos que funcionan con baterías. Tal EV también se cargaría considerablemente más rápido que los que funcionan con baterías. Pero, como todos los ultracapacitores, esta solución aún no puede contener tanta energía como las baterías estándar.

En el futuro, se espera que el supercapacitador se desarrolle para almacenar más energía que una batería de ion-Li, al tiempo que conserva la capacidad de liberar su energía hasta 10 veces más rápido, lo que significa que el automóvil podría ser completamente accionado por los supercapacitores Después de una carga completa, este automóvil debería poder recorrer hasta 500 km, similar a un automóvil de gasolina y más del doble del límite actual de un automóvil eléctrico.

Los fabricantes de EV también podrían estar interesados ​​en la posibilidad de usar ultracapacitores para futuros automóviles. Tesla, por ejemplo, ha "dado el paso" y recientemente adquirió un fabricante de componentes de ultracapacitadores (Maxwell Technologies).

NOTA: EV = vehículo eléctrico


Fuentes:
- Andrew Burke, Hengbing Zhao. Applications of Supercapacitors in Electric and Hybrid Vehicles. https://steps.ucdavis.edu/wp-content/uploads/2017/05/2015-UCD-ITS-RR-15-09-1.pdf
- JinzhangLiua, et al.  High performance all-carbon thin film supercapacitors. Journal of Power Sources. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.10.104
-  Marco Notarianni1, Jinzhang Liu1. Graphene-based supercapacitor with carbon nanotube film as highly efficient current collector.  Nanotechnology, Volume 25, Number 43, October 2014 .

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