¿Qué obstáculos tecnológicos limitan la densidad energética de los supercondensadores?

Cuando busca formas de aumentar la densidad de energía del supercondensador, busca mejorar el voltaje y la capacitancia. Dada la relación de densidad de energía entre los dos factores es CV ^ 2, centrarse en el voltaje le dará el mayor impacto. El problema son las complejidades para mejorar cualquiera de estos factores.

El aumento del voltaje de la celda presenta desafíos con la estabilidad química principalmente con el electrolito utilizado. Con un voltaje más alto, hay reacciones electroquímicas más altas que generan impurezas que disminuyen drásticamente el rendimiento.

Hay algunas opciones para abordar esto, cada una de las cuales es su propio obstáculo:

  • Mejora de la pureza inicial de la célula (p. Ej., Eliminar restos de metal, grupos de carbono indeseables del electrodo, purificar todos los componentes, etc.)
  • Controlar las reacciones secundarias / inhibir las reacciones secundarias.
  • Hacer un electrolito más estable

Con el aumento de la capacidad , enfrenta el obstáculo de tratar de aumentar el área de la superficie mientras intenta aumentar la densidad. Las propiedades físicas innatas con los electrodos de carbono estándar generalmente son que son agradables y porosos, pero de baja densidad. Los electrodos a base de carbono son excelentes para trabajar debido al costo, pero el desafío es optimizar este electrodo, necesita encontrar la morfología correcta y mantener la integridad de la interacción entre el electrolito y el electrodo.

La restricción fundamental de los condensadores / supercondensadores actuales es que la carga todavía se almacena químicamente; una sustancia, ya sea un sustrato como en tapas de placas cargadas o un electrolito como en tapas electrolíticas, contiene un exceso de electrones, en efecto “almacenando” su carga eléctrica.

Esto produce varias limitaciones fundamentales:

* existe un límite para el exceso de electrones que pueden almacenarse dentro de la sustancia, independientemente del voltaje de suministro que produzca el desequilibrio de carga en el condensador.

* Existe un límite para la rapidez con la que estos electrones pueden almacenarse y descargarse.

Los supercaps superan las curvas de comportamiento “tradicionales” de la mayoría de los condensadores; pueden almacenar una carga mayor dado un voltaje de suministro particular (en otras palabras, tienen una “capacitancia” más alta medida en faradios), y pueden acumularse y descargarse más rápido porque los electrones tienen una mayor movilidad dentro de la sustancia utilizada para retener la carga. Sin embargo, esos límites no se eliminan; Solo están extendidos.

Para ampliar aún más los límites de la tecnología, necesitamos materiales que, en cualquier escala, puedan almacenar una carga localizada más alta mientras mantienen el alto grado de libertad que los electrones tienen para entrar y salir de esta sustancia. Gran parte del desarrollo se basa ahora en “sistemas distribuidos”; un dispositivo que tiene alta densidad de energía principalmente debido a su pequeño volumen y peso; entonces, simplemente colocamos muchos de estos dispositivos en paralelo para crear un condensador más grande. Las limitaciones aquí están en nuestra capacidad de crear estos subcondensadores muy pequeños de manera económica y eficiente; de lo contrario, el supercap más grande sería prohibitivo.