Conversión y almacenamiento de energía

Supercondensadores de alta densidad energética

Diagrama de un supercondensador que muestra electrodos de carbono activo y electrolito

Los supercondensadores (también conocidos como ultracondensadores, condensadores electroquímicos o condensadores de doble capa) son dispositivos electroquímicos que acumulan y liberan carga, y suministran altas densidades de potencia en cortos periodos de tiempo. Su capacidad para almacenar energía eléctrica de forma eficiente y para liberarla de forma muy rápida los convierte en los dispositivos ideales para todas aquellas aplicaciones en las que es esencial disponer inmediatamente de potencia máxima o de energía de reserva.

Mediante el empleo de nanomateriales especiales, investigadores del California NanoSystems Institute de la Universidad de California de Los Ángeles han desarrollado "condensadores LSG-manganeso" que "acumulan tanta carga eléctrica como una batería de plomo y ácido" y que "sin embargo, se pueden recargar en segundos y tienen una capacidad de almacenamiento seis veces superior a la de los supercondensadores más avanzados disponibles en el mercado".

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Instrumentación electroquímica para su análisis

Configuración electroquímica con célula, sensor, potenciostato/galvanostato y software de control

El desarrollo de supercondensadores como estos exige análisis electroquímicos rigurosos. Metrohm Autolab ofrece la instrumentación apropiada para realizar dichos análisis.

> Lea más acerca del análisis electroquímico con Metrohm Autolab

Aniones y cationes mediante cromatografía iónica

Cromatograma para aniones y cationes en almacenamiento de energía
Las baterías de iones de litio (Li-Ion) representan la tecnología de almacenamiento más importante para aplicaciones portátiles y móviles. Estas baterías se distinguen no solo por sus altos niveles de tensión de célula y su tiempo de descarga flexible, sino también por su alta densidad de energía gravimétrica. Un aspecto de especial interés en el desarrollo y optimización de las baterías de Li-Ion es el contenido de iones como litio, fluoruro y hexafluorofosfato en el electrolito o en los eluatos de los diferentes componentes.

Sistema de cromatografía iónica para investigación y desarrollo con puerta abierta
Mediante cromatografía iónica es posible determinar diversos aniones y cationes orgánicos e inorgánicos al mismo tiempo, y hacerlo además en una amplia variedad de concentraciones. Sea cual sea el paso requerido en la preparación de muestras (elución, dilución, filtración), esos pasos pueden automatizarse con las técnicas Metrohm Inline Sample Preparation (“MISP”). Se pueden determinar los siguientes iones:
  • fluoruro, hexafluorofosfato, tetrafluoroborato y litio en eluatos de componentes individuales como ánodos, cátodos y láminas separadoras
  • fluoruro, hexafluorofosfato y litio en líquidos electrolitos

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Agua en baterías Li-Ion

Paquete de batería de iones de litio

El electrolito de la batería consiste en una mezcla de disolventes apróticos anhidros y sales de litio. Las baterías de iones de litio no deben contener agua (< 20 mg/L), pues esta reacciona con la sal conductora (p. ej., LiPF6) para formar ácido fluorhídrico.

El contenido de agua en el electrolito se determina mediante coulometría Karl Fischer y mediante el método de extracción térmica. Opcionalmente, se puede emplear inyección automatizada o manual con unidades de dosificación. Además de en el electrolito, se puede determinar el contenido de agua en todas las partes de la batería Li-Ion, desde las materias primas y electrolitos empleados hasta las láminas recubiertas de ánodo y cátodo, y las preparaciones recubiertas de electrodo.

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Caracterización electroquímica de...

...baterías, materiales de electrodo y electrolitos

Varias baterías
Hoy en día existen aún un gran número de baterías secundarias. A este grupo pertenecen, por ejemplo, las baterías de plomo y ácido (el tipo de baterías más usado en el mundo), de níquel-metal hidruro, de Li-Ion, de metal-aire, de sodio-azufre y de sodio-níquel, además de otras tecnologías actualmente en desarrollo. La potencia de salida total de las baterías es determinada por las propiedades de los electrolitos empleados y de los materiales del ánodo y del cátodo. Los métodos electroquímicos son apropiados, por ejemplo, para:
  • la determinación de las características de la corriente/potencial
  • las pruebas para la inversión de polaridad (de carga) de baterías
  • la caracterización de los efectos del envejecimiento mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS, por sus siglas en inglés)
  • el registro de los ciclos de carga y descarga
  • la determinación de la capacidad de la batería
  • la medida de la resistencia del electrolito y de la transferencia de carga (reacción sobre el electrodo)
  • la determinación de la potencia nominal de impulso/capacidad de alta corriente
Los aparatos de Metrohm Autolab son ideales para la caracterización y desarrollo de materiales para baterías, p. ej., materiales de ánodos y cátodos, separaciones, electrolitos, capas límite, etc., así como para la determinación de Fe(II) y Fe(III) en fosfato de hierro de litio.

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...supercondensadores

Aparato potenciostato/galvanostato para aplicaciones electroquímicas con ordenador portátil
El rendimiento de un supercondensador se determina por la medida de su capacidad eléctrica (que puede variar con el potencial aplicado) y la resistencia en serie equivalente (ESR, por sus siglas en inglés). Estos parámetros se pueden medir de tres modos distintos: mediante la carga del supercondensador con corriente constante y la monitorización de la reacción del potencial (cronopotenciometría); mediante la aplicación de un impulso potencial y la monitorización de la reacción de la corriente (cronoamperometría); o con espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). No importa lo que quiera medir, Metrohm Autolab dispone del aparato apropiado.

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...pilas de combustible

Diagrama de una célula de combustible para producir electricidad por oxidación de hidrógeno o metano

Se consideran pilas de combustible los sistemas de almacenamiento de energía química que producen electricidad mediante comburente de hidrógeno o metano. Estas pilas ofrecen una mayor eficiencia que los motores térmicos y no generan dióxido de carbono. Las pilas de combustible se distinguen de las baterías en que necesitan una fuente de combustible constante para mantener la reacción química. Mientras se suministre combustible, las pilas de combustible producen electricidad.

Existen diferentes tipos de pilas de combustible: alcalina (AFC), de membrana de polímero electrolítico (PEMFC), de metanol directo (DMFC), de ácido fosfórico (PAFC), de carbonato líquido (MCFC) o de óxido sólido (SOFC).

La caracterización de las pilas de combustible comprende desde espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) hasta polarización y curvas de densidad de potencia de la pila, que señalan las condiciones óptimas de funcionamiento.

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Referencias

"Durante los últimos diez años venimos usando aparatos de Metrohm... nunca hemos tenido ningún problema."

Prof. S. Basu, Dept. of Chemical Engineering, Indian Institute of Technology, Delhi