Los científicos crean un nuevo modelo para mejorar el almacenamiento de energía en supercondensadores

Los investigadores han desarrollado un nuevo modelo que ayuda a explicar cómo las dobles capas eléctricas (EDL) almacenan energía en supercondensadores, allanando el camino para un almacenamiento de energía más eficiente en dispositivos como la electrónica portátil y los vehículos eléctricos.

Este modelo puede predecir cuánta carga eléctrica puede almacenar un supercondensador y sus resultados concuerdan estrechamente con los hallazgos experimentales. El estudio fue publicado en ChemPhysChem.

Los supercondensadores son diferentes de las baterías tradicionales. Mientras que las baterías liberan energía de manera constante durante un largo período, los supercondensadores generan ráfagas de energía breves y potentes.

Por ejemplo, una batería se puede comparar con un frasco que almacena energía lentamente y la libera gradualmente, mientras que un supercondensador es como un balde que se llena y se vacía rápidamente.

Esto hace que los supercondensadores sean ideales para situaciones en las que se requiere una entrega rápida de energía, como en automóviles y sistemas de energía de emergencia.

La clave para el rendimiento de un supercondensador es la doble capa eléctrica (EDL), una capa delgada en la interfaz entre el electrodo y una solución electrolítica.

Esta capa es donde se almacena la energía. La capacidad de un supercondensador para almacenar carga depende de factores como la superficie de sus electrodos, la distancia entre ellos y el tipo de material utilizado en la capa de electrolito, que tiene sólo unos pocos nanómetros de espesor.

Debido a estas propiedades, los supercondensadores pueden almacenar mucha más energía que los condensadores tradicionales.

Sin embargo, comprender y mejorar la EDL requiere examinar las interacciones químicas a una escala muy pequeña, lo cual es difícil de hacer sólo con experimentos. Aquí es donde entra en juego el nuevo modelo.

Los científicos de HSE MIEM y el Centro de Investigación de Física Química Semenov han creado un modelo para describir mejor lo que sucede en la EDL. Utilizaron una versión modificada de la ecuación de Poisson-Boltzmann, que tiene en cuenta las complejas interacciones entre iones, moléculas de agua y el campo eléctrico.

El modelo proporciona predicciones detalladas de cómo cambia la capacidad del EDL para almacenar carga a medida que varía el voltaje. Esto se mide mediante capacitancia eléctrica diferencial, que nos dice cuánta carga puede contener el EDL con pequeños cambios de voltaje. Cuanto mayor sea la capacitancia diferencial, mejor podrá almacenar energía el supercondensador.

El estudio se centró en dos tipos de soluciones de electrolitos, perclorato de sodio (NaClO4) y hexafluorofosfato de potasio (KPF6), que interactúan con un electrodo de plata. El modelo predijo con precisión la estructura de la EDL y el comportamiento de la capacidad en diferentes concentraciones de estas soluciones. El modelo también pudo predecir el comportamiento de mezclas más complejas de estos electrolitos, lo que lo hace útil para una amplia gama de sistemas electroquímicos.

Este modelo es un paso importante hacia el diseño de mejores supercondensadores. Al predecir cómo se comporta EDL en condiciones del mundo real, ayudará a los científicos a desarrollar nuevos dispositivos de almacenamiento de energía que sean más eficientes y potentes, beneficiando a todo, desde dispositivos portátiles hasta vehículos eléctricos.

Las investigaciones futuras tienen como objetivo mejorar aún más el modelo incluyendo sistemas con interacciones más fuertes entre iones y electrodos, que son comunes en los dispositivos modernos.