{"id":1657,"date":"2019-05-22T02:47:38","date_gmt":"2019-05-22T02:47:38","guid":{"rendered":"http:\/\/www.meetyoucarbide.com\/single-post-the-path-of-electrochemical-capacitors-a-strong-complement-in-the-energy-field\/"},"modified":"2020-05-04T13:12:06","modified_gmt":"2020-05-04T13:12:06","slug":"the-path-of-electrochemical-capacitors-a-strong-complement-in-the-energy-field","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/the-path-of-electrochemical-capacitors-a-strong-complement-in-the-energy-field\/","title":{"rendered":"El camino de los condensadores electroqu\u00edmicos: un fuerte complemento en el campo de energ\u00eda"},"content":{"rendered":"
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El concepto de capacitores existe desde hace mucho tiempo. Primero fue conocida como la botella de Leiden. Su prototipo es una botella de vidrio que contiene un \u00e1cido diel\u00e9ctrico hidrolizado. El conductor sumergido en \u00e1cido y la l\u00e1mina met\u00e1lica recubierta en el exterior de la botella de vidrio sirven como dos electrodos. El vidrio en el medio se usa como material diel\u00e9ctrico, como se muestra en la Figura 1. Berker present\u00f3 una patente en 1757, describiendo que la energ\u00eda el\u00e9ctrica en la celda primaria es almacenada por la carga almacenada en la celda dual inmersa en el carb\u00f3n poroso diel\u00e9ctrico acuoso. interfaz de materiales. \u00bfQu\u00e9 es un condensador electroqu\u00edmico (tambi\u00e9n conocido como supercondensador)? El primero en ser nombrado es un condensador de gran capacidad (por gramo de capacidad en faradios) desarrollado por un sistema de pel\u00edcula de \u00f3xido de hafnio y una doble capa de carbono. \u00bfC\u00f3mo se consigue una capacidad de carga tan grande? A continuaci\u00f3n, averiguaremos qu\u00e9 est\u00e1 pasando.<\/div>\n
Figura 1 Principio y mapa f\u00edsico de la botella de Leiden<\/div>\n

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I. Clasificaci\u00f3n y principio<\/div>\n
Se sabe que los capacitores electroqu\u00edmicos tienen varias caracter\u00edsticas notables: alta densidad de potencia (carga y descarga r\u00e1pidas, segundo orden), ciclo de vida prolongado y densidad de energ\u00eda relativamente grande (ligeramente menor que las bater\u00edas de iones de litio), todo lo cual depende del almacenamiento de energ\u00eda. mecanismo. De acuerdo con el principio de almacenamiento de energ\u00eda, los condensadores electroqu\u00edmicos generalmente se dividen en condensadores el\u00e9ctricos de doble capa y condensadores de tantalio de Faraday. Por supuesto, mezclar los dos tambi\u00e9n se llama condensador h\u00edbrido. \u00bfCu\u00e1les son sus respectivos mecanismos de almacenamiento de energ\u00eda y en qu\u00e9 se diferencian de las bater\u00edas de iones de litio? A continuaci\u00f3n, comprendemos brevemente algunos de los principios b\u00e1sicos de almacenamiento de energ\u00eda y la diferencia con las bater\u00edas de iones de litio, como se muestra en la Figura 2.<\/div>\n

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Fig. 2 Comparaci\u00f3n de la composici\u00f3n b\u00e1sica y el mecanismo de almacenamiento de energ\u00eda del condensador el\u00e9ctrico de doble capa, el condensador de tantalio de Faraday y la bater\u00eda de iones de litio<\/div>\n
En un condensador el\u00e9ctrico de doble capa, las cargas se concentran en una regi\u00f3n cercana a la superficie, atrayendo iones positivos y negativos en el electrolito y, por lo tanto, se forma un campo electrost\u00e1tico entre el electrodo y el electrolito para el almacenamiento de energ\u00eda. Ambos polos tienen cada uno un par de carga positiva y negativa, por lo que se denomina condensador el\u00e9ctrico de doble capa. Esta reacci\u00f3n es de adsorci\u00f3n f\u00edsica altamente reversible, excelente estabilidad de ciclo (> 100 000 veces) y la tasa de carga y descarga es extremadamente r\u00e1pida, pero la energ\u00eda no es alta debido a la carga limitada. En un condensador de tantalio de Faraday, una carga pasa a trav\u00e9s de la interfaz del electrolito del electrodo, y una superficie de la sustancia de valencia variable en el electrodo o incrustada en el mismo provoca una reacci\u00f3n redox que se combina con los iones en el electrolito para realizar el almacenamiento de la carga. El mecanismo de almacenamiento de energ\u00eda es diferente del almacenamiento de energ\u00eda de doble capa el\u00e9ctrica tradicional. Debido a que algunas de estas reacciones redox son reacciones reversibles r\u00e1pidas en la superficie del electrodo, y algunas son reacciones incrustadas con un cierto cambio de fase, la estabilidad del ciclo es peor que la del capacitor el\u00e9ctrico de doble capa, pero se mejora la energ\u00eda almacenada. Para una bater\u00eda de iones de litio, depende principalmente de los iones de litio en el electrolito para ser incrustados y eliminados en la estructura en capas de los electrodos positivo y negativo durante la carga y descarga para realizar el almacenamiento y liberaci\u00f3n de carga. Bajo este mecanismo, la energ\u00eda almacenada es muy grande, pero debido al proceso de cambio de fase, la velocidad de transferencia de carga es lenta y la estructura se colapsa f\u00e1cilmente, por lo que el rendimiento del ciclo no es alto.<\/div>\n
2.estructura y desarrollo<\/div>\n
La estructura b\u00e1sica del capacitor electroqu\u00edmico se muestra en la FIG. 2, e incluye principalmente un electrodo, un electrolito y un separador aislado entre los dos electrodos. Los materiales de los electrodos y los electrolitos son los dos componentes m\u00e1s importantes, y la investigaci\u00f3n obtenida es muy sistem\u00e1tica. La siguiente es una breve introducci\u00f3n al progreso de la investigaci\u00f3n de los principales materiales de electrodos y electrolitos.<\/div>\n
Material del electrodo<\/div>\n
La investigaci\u00f3n sobre materiales de electrodos ha sido muy madura. La mayor\u00eda de los condensadores el\u00e9ctricos de doble capa originales utilizaban materiales de carbono como el carbono poroso, la fibra de carbono, los nanotubos de carbono y el grafeno. Aunque el material de carbono tiene una capacidad peque\u00f1a y una densidad de energ\u00eda baja, su carga sobre el sustrato conductor puede ser muy alta, lo que hace que su aplicaci\u00f3n sea amplia y profunda en el campo de la comercializaci\u00f3n. Por supuesto, los investigadores han comenzado recientemente a activar materiales de carbono para lograr densidades de energ\u00eda m\u00e1s altas, lo que se espera que aumente significativamente el nivel de rendimiento del carbono de grado comercial.<\/div>\n
Debido a la capacitancia limitada de los materiales de carbono y al almacenamiento de energ\u00eda insuficiente, los capacitores de tantalio se han convertido gradualmente en un foco de investigaci\u00f3n. Los principales materiales explorados incluyen \u00f3xidos met\u00e1licos, pol\u00edmeros conductores, nitruros met\u00e1licos y, m\u00e1s recientemente, el estudio de carburos met\u00e1licos calientes. El primero ampliamente estudiado es el \u00f3xido de itrio, que tiene un excelente rendimiento electroqu\u00edmico, pero poco a poco est\u00e1 ganando atenci\u00f3n debido a su bajo rendimiento y alto precio. Muchos \u00f3xidos met\u00e1licos tienen un rendimiento superior, pero tienen la desventaja de una conductividad el\u00e9ctrica deficiente, lo que afecta en gran medida las caracter\u00edsticas de carga y descarga r\u00e1pidas de los capacitores electroqu\u00edmicos. La conductividad del pol\u00edmero conductor es superior a la de la mayor\u00eda de los \u00f3xidos met\u00e1licos y el rendimiento es similar, pero existe el problema de que la estabilidad del ciclo es deficiente. Los nitruros met\u00e1licos tienen una conductividad el\u00e9ctrica superior y una buena capacidad de almacenamiento de energ\u00eda, pero se oxidan f\u00e1cilmente durante los ciclos electroqu\u00edmicos para reducir la conductividad el\u00e9ctrica y no se garantiza el rendimiento del ciclo. Los carburos o carbonitruros met\u00e1licos y los materiales en capas correspondientes (como Mxene, etc.) han recibido una gran atenci\u00f3n por parte de los investigadores en los \u00faltimos a\u00f1os y tienen un gran potencial de desarrollo.<\/div>\n
Electr\u00f3lito<\/div>\n
El sistema de electrolitos de los condensadores electroqu\u00edmicos est\u00e1 madurando gradualmente con el desarrollo de los electrodos. Desde la perspectiva de una gran clasificaci\u00f3n, el electrolito incluye principalmente un electrolito acuoso y un electrolito org\u00e1nico. El electrolito a base de agua incluye \u00e1cido, \u00e1cido y neutro, y tiene una alta conductividad i\u00f3nica, pero est\u00e1 limitado por el l\u00edmite de voltaje de descomposici\u00f3n del agua (1,23 V) y su voltaje de trabajo es bajo. Los electrolitos a base de agua se usan m\u00e1s en la investigaci\u00f3n cient\u00edfica, pero hay pocos productos comerciales. El tipo de electrolito org\u00e1nico es relativamente grande y su mayor caracter\u00edstica es que el voltaje l\u00edmite es mucho m\u00e1s alto que el del electrolito acuoso (2.7-3.7 V). Por lo tanto, un alto voltaje operativo puede ayudar al supercondensador a aumentar considerablemente su densidad de energ\u00eda. En los condensadores electroqu\u00edmicos comerciales, se utilizan la gran mayor\u00eda de electrolitos org\u00e1nicos.<\/div>\n
Desarrollo de la estructura del condensador electroqu\u00edmico.<\/div>\n
Con la profundizaci\u00f3n y la especificidad del trabajo de investigaci\u00f3n, la forma del dispositivo del condensador electroqu\u00edmico tambi\u00e9n se ha desarrollado mucho. Los primeros supercondensadores disponibles comercialmente eran principalmente del tipo bobinado y del tipo bot\u00f3n (misma estructura que la bater\u00eda convencional), como se muestra en la Figura 3.<\/div>\n

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Figura 3 Supercondensadores de bobinado y tipo bot\u00f3n<\/div>\n
Con el aumento gradual de la demanda, existen algunas deficiencias en la superficie de aplicaci\u00f3n de los condensadores electroqu\u00edmicos para sustratos duros. Los supercondensadores port\u00e1tiles flexibles se han convertido en un foco de investigaci\u00f3n. El principal avance es que el sustrato es un material conductor flexible, como tela de carbono, papel de carbono, espuma de n\u00edquel, l\u00e1minas de metal flexibles y CNT autoportantes, etc., como se muestra en la figura 4.<\/div>\n

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Figura 4 Materiales de electrodos flexibles para varios supercondensadores flexibles<\/div>\n
El supercapacitor flexible puede realizar el transporte conveniente de la unidad de almacenamiento de energ\u00eda y el capacitor electroqu\u00edmico flexible como se muestra en la FIG. 5 impulsa el reloj electr\u00f3nico como correa de reloj al mismo tiempo.<\/div>\n

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Figura 5 Algunas aplicaciones de supercapacitores flexibles bidimensionales<\/div>\n
Adem\u00e1s, cuando se trata de dispositivos port\u00e1tiles, el sustrato flexible bidimensional sigue siendo insuficiente para satisfacer cualquier necesidad de tejido. En este momento, tambi\u00e9n se han desarrollado supercondensadores lineales unidimensionales. El tejido efectivo de la prenda se puede lograr mediante el uso de estos supercondensadores lineales, como se muestra en parte de la Figura 6.<\/div>\n

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Figura 6 Pantalla de tejido de un supercondensador lineal unidimensional<\/div>\n
3. el futuro y las perspectivas<\/div>\n
\u00bfC\u00f3mo se desarrollar\u00e1 el futuro de los supercondensadores? Es un dispositivo de almacenamiento de energ\u00eda, pero debido a su limitaci\u00f3n principal, la capacidad de almacenamiento es dif\u00edcil de superar la bater\u00eda (si es m\u00e1s que un supercondensador), no deber\u00eda tener el mismo efecto que la bater\u00eda, pero deber\u00eda usarse como una bater\u00eda. Una poderosa adici\u00f3n a la fuente de alimentaci\u00f3n principal. En este caso, su desarrollo depende naturalmente de la demanda. Cuando se utiliza energ\u00eda solar o e\u00f3lica para almacenar energ\u00eda, se aumenta su potencia; cuando se utiliza como fuente de energ\u00eda de respaldo, se maximiza su almacenamiento de energ\u00eda. En definitiva, es seguir las necesidades.<\/div>\n
\u00a1Creo que en un futuro cercano, los condensadores electroqu\u00edmicos se convertir\u00e1n en un elemento indispensable en la vida diaria, como las bater\u00edas, y se convertir\u00e1n en nuestro buen ayudante!<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

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The concept of capacitors has been around for a long time. It was first known as the Leiden bottle. Its prototype is a glass bottle containing a hydrolyzed acid dielectric. The conductor immersed in acid and the metal foil coated on the outside of the glass bottle serve as two electrodes. The glass in between…<\/p>","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[79],"tags":[],"class_list":["post-1657","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-materials-weekly"],"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1657","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1657"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1657\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1657"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1657"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.meetyoucarbide.com\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1657"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}