Tecnologías de supercondensadores: ¿está respondiendo al fin el grafeno a las expectativas?

En ocasiones, se ha hablado de los supercondensadores como sustitutos de las baterías de iones de litio que ofrecen una serie de atractivas ventajas, como una mayor seguridad, una velocidad superior de carga y descarga y una vida útil más larga. A pesar de los avances, las diferencias fundamentales entre las dos tecnologías limitan la densidad energética de las tecnologías de los supercondensadores de grafeno, lo que hace improbable que puedan reemplazar a las baterías de litio en un futuro próximo. Sin embargo, están listos para el uso en otras aplicaciones prácticas en las que actúan como dispositivos de almacenamiento de energía complementarios, en especial en el sector del transporte.

Comparación entre las tecnologías de supercondensadores y las baterías

Para entender por qué no se ha producido el reemplazo de las baterías por supercondensadores, es importante conocer las diferencias existentes entre estos dos tipos de dispositivos, que nacen de sus arquitecturas (figura 1).

• Las baterías tienen una densidad energética elevada, pero una baja densidad de potencia (una descarga más lenta de la energía), lo que las hace idóneas para aplicaciones a largo plazo que requieren una liberación lenta y uniforme de la energía.
• Los supercondensadores tienen una densidad energética inferior, pero una mayor densidad de potencia (una descarga más rápida de la energía). Como resultado, no pueden almacenar tanta energía como las baterías, pero se pueden cargar y descargar mucho más deprisa. Esta propiedad los hace más adecuados para aplicaciones que requieren aportes rápidos de energía y en las que se pueden realizar recargas rápidas.

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

• Las baterías almacenan y liberan la energía mediante un proceso electroquímico, de modo que la velocidad de carga y descarga se ve limitada por la cinética de las reacciones electroquímicas implicadas. Los iones se intercalan en el interior del electrodo, no en la superficie, con lo que se tienen que dispersar a través de los electrodos y se reduce aún más su velocidad de carga y descarga.
• Los supercondensadores almacenan la energía de forma electrostática en las superficies de los electrodos. La energía se libera con un movimiento simple de los iones y no con una reacción electroquímica más lenta. Como las cargas (los iones) solo se almacenan en la superficie del electrodo y no se intercalan en el material activo, solo la superficie participa en el proceso de carga y descarga, lo que se traduce en una densidad energética mucho más baja que la de las baterías.

El grafeno encabeza las mejoras de las tecnologías de supercondensadores en cuanto a densidad energética

Aunque estas diferencias fundamentales reducen la probabilidad de que los supercondensadores reemplacen a las baterías, la investigación sigue estando centrada en las mejoras de la densidad energética. Como la superficie del material activo es la principal ubicación de almacenamiento de carga, las iniciativas de investigación se centran en el desarrollo de materiales activos con un área superficial elevada para incrementar el número de iones adsorbidos y, como resultado, la capacitancia y la densidad energética de los supercondensadores.

Los materiales carbonosos, en especial el carbón activado y el grafeno, están ganando popularidad, ya que presentan una conductividad eléctrica más elevada. Sin embargo, el grafeno es más difícil y caro de producir y suele tener un área superficial teórica menor que la del carbón activado, lo que complica su uso en supercondensadores a escalas industriales. Como las innovaciones de los materiales activos en los supercondensadores se han centrado en gran medida en el grafeno, es importante entender los distintos factores que limitan su adopción.

Principales barreras que limitan el uso de electrodos de grafeno

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

Las mismas propiedades que convierten al grafeno en un gran material para las tecnologías de supercondensadores requieren unas condiciones de síntesis estrictas. Por este motivo, el grafeno es difícil de sintetizar de manera fiable, en especial a escalas industriales. Más preocupante es el hecho de que, incluso si se pudiera sintetizar a escalas industriales, el grafeno podría no tener la calidad necesaria para el uso en supercondensadores. Un estudio realizado en 2018 analizó varias docenas de productos de grafeno y concluyó que ninguno contenía más de un 50 % de grafeno. Un estudio similar, aunque más limitado, publicado en 2020 comparó el grafeno y el carbón activado para mostrar que la capacitancia específica de los supercondensadores de grafeno era muy inferior a la del carbón activado, muy probablemente por la presencia de óxido de grafeno. Como estos estudios se realizaron antes de la publicación de las normas ISO para el grafeno en 2021, es necesario llevar a cabo un estudio complementario para analizar con detenimiento la calidad del grafeno disponible comercialmente.

La producción del grafeno es costosa

Un control riguroso de las condiciones de síntesis del grafeno exige el uso de equipo y procesos especializados que no son idóneos para la producción industrial, lo que dificulta la consecución de economías de escala para los supercondensadores de grafeno. Una vez producido, el grafeno requiere técnicas de clasificación costosas y enormemente sensibles para confirmar que su calidad responde a las normas ISO. Esto crea otra barrera de acceso importante, especialmente para las pequeñas empresas, y obstaculiza el desarrollo de tecnologías de supercondensadores de grafeno.

Las láminas de grafeno son proclives a la aglomeración

Una vez sintetizadas, las interacciones π-π fuertes hacen que las láminas de grafeno se reagrupen y se aglomeren, lo que reduce el área superficial activa desde el punto de vista electroquímico. Eso limita la densidad energética de los supercondensadores. Una empresa, Skeleton Technologies, ha encontrado una forma de inhibir estas interacciones y evitar el reapilamiento mediante el uso de grafeno curvado en sus supercondensadores. Aunque los informativos presentaron el grafeno curvado como un descubrimiento crucial (un supercondensador de grafeno curvado se dio a conocer ya en 2010), la empresa que patrocinó esta investigación lleva casi una década sin notificar otros avances.

Investigación académica sobre tecnologías de supercondensadores de grafeno

Tendencias de publicación recientes en la investigación de los supercondensadores

Como se desprende de las tendencias de publicación de las figuras anteriores, los supercondensadores de grafeno siguen siendo un tema de investigación popular (figura 2). Aunque el grafeno sigue dominando el panorama de la investigación de los supercondensadores, los supercondensadores de polímero conductor también están ganando terreno como tema de investigación prioritario (figura 3). Mientras que el número de publicaciones sobre los supercondensadores de grafeno y de polímero conductor comenzó a disminuir ligeramente en 2020, las publicaciones sobre supercondensadores basados en materiales lignocelulósicos siguieron aumentando hasta 2021 (figura 4), lo que sugiere un mayor interés por los materiales sostenibles.

Aunque la investigación académica ha realizado algunos progresos, la vida útil de ciclos documentada para los dispositivos creados en laboratorio ha sido en muchos casos claramente inferior a la registrada 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 proporcionar alimentación a los dispositivos durante periodos muy cortos.

• A finales de 2022, un equipo de investigadores de la Universidad de Tsinghua dio a conocer la creación de un supercondensador de grafeno flexible que conservaba casi el 99 % de su rendimiento después de 10 000 ciclos y tenía una ventana de voltaje de carga y descarga de 3 V. Este supercondensador alimentó varios dispositivos electrónicos pequeños, incluidos un LED y una calculadora, pero en general durante poco más de unos segundos.
• En otro estudio de 2022, un grupo del Imperial College de Londres desarrolló un supercondensador de grafeno tejido. Cuando se usaba como sensor de presión, presentaba un tiempo de respuesta rápido de tan solo 0,6 segundos, pero su capacitancia decayó alrededor del 90 % después de tan solo 10 000 ciclos.

Supercondensadores híbridos de iones de litio

Para cerrar la brecha existente 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 en número de ciclos de los supercondensadores con la elevada densidad energética de las baterías. Para lograrlo, en el proceso de carga y descarga intervienen dos mecanismos: la intercalación y desintercalación de iones de litio (ánodo de tipo batería) y la adsorción/desorción de aniones (cátodo de tipo condensador), como se muestra en la figura 5. Los supercondensadores híbridos resultantes pueden presentar una densidad energética varias veces superior a la de los supercondensadores tradicionales correspondientes.

Sin embargo, si el electrodo de tipo condensador usa un material activo a base de grafeno, también podrá sufrir los mismos problemas que afectan a los supercondensadores no híbridos. Además, la naturaleza híbrida de los supercondensadores híbridos de iones de litio significa que, aunque tienen las ventajas tanto de las baterías como de los supercondensadores, también presentan algunas de sus desventajas. A pesar de que pueden tener una mayor densidad energética y una corriente de autodescarga y fuga inferior a la de los supercondensadores, tienen vidas útiles de ciclos más cortas a largo plazo y adolecen de una cinética de litiación/deslitiación lenta en el ánodo. Una publicación reciente documentó un condensador híbrido de iones de litio que retuvo el 100 % de su capacitancia tras 19 000 ciclos a una densidad energética de 100 W h kg^-1.

¿Reemplazarán los supercondensadores a las baterías?

Tanto el mundo académico como la industria están trabajando para mejorar el rendimiento de diversas tecnologías de supercondensadores, pero es poco probable que estos dispositivos proporcionen un rendimiento a largo plazo comparable al de las baterías de iones de litio a menos que se superen algunas trabas de ingeniería y limitaciones fundamentales.

• Los supercondensadores tienen densidades energéticas específicas más bajas. Aunque el grafeno curvado impide la aglomeración de las láminas de grafeno, los supercondensadores tienen densidades energéticas inferiores a las de las baterías a causa de las diferencias existentes entre sus mecanismos de almacenamiento de la carga. Si no se produce un avance revolucionario, seguirán haciendo falta varios supercondensadores para competir con la densidad energética incluso de una sola batería de iones de litio.
• Los supercondensadores sufren una autodescarga excesiva. Los supercondensadores tienen una vida útil de ciclos larga y pueden mantener una capacitancia elevada, pero sufren autodescargas mucho más acusadas que las baterías. Mientras que una batería puede perder tan solo un 5 % de su carga almacenada a lo largo de aproximadamente un mes, los supercondensadores pueden llegar a perder hasta el 50 %. Esto podría no ser un problema en aplicaciones en las que se puedan descargar y recargar fácilmente, pero afecta al almacenamiento de energía a largo plazo.
• Los supercondensadores de grafeno son más caros. Como los supercondensadores de grafeno son una tecnología más nueva, su producción no ha alcanzado aún las economías de escala. Además, dado que sus requisitos de calidad son más estrictos, el grafeno sigue siendo más caro de producir que el carbón activado. Aunque es posible que algún día ofrezca un rendimiento superior al del carbón activado, el uso del grafeno también aumenta los precios de los supercondensadores resultantes.
• Aún no se han demostrado la mayoría de las aplicaciones de los supercondensadores de grafeno. Como sucede con cualquier nueva tecnología, el éxito de los primeros productos en llegar al mercado es esencial para el éxito de las líneas de productos posteriores. Ninguna de las tecnologías de supercondensadores de grafeno se ha investigado a largo plazo y en la mayoría de los casos solo se han instalado en un número limitado de unidades.

Aplicaciones actuales y futuras de las tecnologías de supercondensadores

Sector del transporte

Si bien es cierto que estos desafíos impiden que los supercondensadores reemplacen a las baterías, tienen aplicaciones reales, aunque las basadas en el grafeno están aún en desarrollo. Algunas de las aplicaciones más destacadas corresponden al sector del transporte:

• En China y Serbia se han creado flotas de autobuses alimentados con supercondensadores. Una de esas flotas tienen un alcance documentado de 25 km y tarda entre seis y siete minutos en cargarse. Para contrarrestar la baja densidad energética de los supercondensadores y las limitaciones del alcance por carga, los autobuses se recargan en la terminal o en las paradas de autobús.
• Skeleton Technologies produce un supercondensador de grafeno para trenes que puede recuperar hasta el 30 % de la energía perdida durante el frenado. Esta tecnología se ha seleccionado para el uso en los nuevos trenes del sistema de metro de Granada (España), que entrarán en servicio en el verano de 2024.
• Samsung publicita un híbrido de iones de litio para aplicaciones de automoción que es adecuado para los sistemas de baja tensión en los que se necesita un proceso rápido de carga y descarga.

Dispositivos electrónicos personales

Aunque se han usado con éxito en algunas aplicaciones, es poco probable que los supercondensadores reemplacen a las baterías de iones de litio para proporcionar alimentación a los dispositivos electrónicos personales pequeños. Incluso el equipo de Skeleton Technologies ha indicado que sus supercondensadores 3V SkelCap se han diseñado para usarlos en combinación con baterías, no para sustituirlas. SkelCaps tiene una energía específica en torno a un orden de magnitud inferior al de las baterías de iones de litio, lo que significa que harían falta varios de ellos para obtener la misma densidad energética que ofrece una sola de estas baterías. En cuanto a la posibilidad de usarlos para alimentar dispositivos electrónicos personales pequeños como los smartphones y las cámaras, es poco probable que los consumidores estén dispuestos a tener que cargar los dispositivos tras un uso corto, con independencia de lo rápida que sea la recarga.

Conclusiones

Aunque tienen varias aplicaciones interesantes en el sector del transporte, los supercondensadores no son, hoy por hoy, alternativas viables a las baterías de iones de litio. A menos que las iniciativas de investigación en curso den lugar a avances importantes en lo tocante a la densidad energética y la velocidad de autodescarga, como sucede cuando se usan supercondensadores híbridos de iones de litio, los supercondensadores seguirán siendo dispositivos de almacenamiento de energía complementarios. Además, los dispositivos de grafeno tienen las mismas probabilidades de experimentar problemas que los supercondensadores no híbridos a causa de las limitaciones de los materiales activos de grafeno.

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