El amanecer de los supercondensadores, ¿el final de las baterías de iones de litio?

Lamborghini Sián Supercap
El amanecer de los supercondensadores, ¿el final de las baterías de iones de litio?
Álvaro Sauras
Álvaro Sauras
Los supercondensadores representan una innovadora y revolucionaria forma de almacenar energía eléctrica. ¿Se podrán convertir en el peor rival de las baterías de ion-litio?

Qué hace falta para que una buena idea abandone la retaguardia y salga a jugar en primera fila? Pues basta con asociarla con un gran nombre. Y ese parece el caso con los supercondensadores o supercaps: una forma de almacenar energía eléctrica que lleva varios años en funcionamiento, pero que no ha acaparado titulares hasta que Lamborghini ha decidido emplearla en el Sián

Y Lamborghini lo ha hecho por todo lo alto (al menos, en términos de marketing), escribiendo supercap con letras doradas en la tapa del vano motor (literalmente, como puedes ver en la foto superior). También realizando afirmaciones capaces de generar titulares, como cuando Maurizio Reggiani, jefe técnico de Lamborghini, afirma que el Sián (del que se van a fabricar tan sólo 67 unidades) representa la primera aplicación mundial de la tecnología de supercondensadores a un sistema híbrido. Y mientras lo dice, casi podemos escuchar a los 10 supercaps que hay instalados en cada sistema i-ELOOP que Mazda ha fabricado y montado desde 2012 protestando al unísono. Pero tampoco nos enfademos; como veremos más adelante, el sistema de supercaps del Sián es revolucionario en al menos un aspecto. 

Empecemos explicando que los términos supercondensador y supercap son intercambiables. Supercap deriva del inglés supercapacitor, y es una forma más práctica (por su brevedad) de referirse a estos pequeños acumuladores de energía eléctrica. 

Lamborghini Sián

Dicho esto, debemos abordar el concepto de condensador. Más o menos todos sabemos en qué consisten. Se trata de esos pequeños componentes con forma de píldora o lata de refresco en miniatura que se utilizan, en electrónica, para almacenar pequeñas cantidades de energía. 

La construcción y funcionamiento de un condensador es sencilla. Se trata de dos electrodos capaces de almacenar carga eléctrica (en forma de electrones perdidos o almacenados) y separados por un material aislante. 

Se supone que el Sián es la primera aplicación de supercondensadores… pero el i-ELOOP de Mazda no está de acuerdo

Cuando se aplica una tensión eléctrica entre los electrodos, el condensador se ‘carga’ hasta el nivel de tensión aplicado. Una vez que se desconecta la fuente de tensión, el voltaje entre las patillas del condensador se mantiene hasta que se cierra el circuito y se produce la descarga a través de la resistencia correspondiente. Esta resistencia puede ser, por ejemplo, la lámpara de un flash de fotografía… o incluso uno de tus dedos si insistes en desmontar uno de estos flashes después de haberse cargado para el próximo disparo. En este sentido, los condensadores pueden ser peligrosos, ya que se emplean con frecuencia para almacenar pequeñas cantidades de energía eléctrica a voltajes elevados de cara a encender fluorescentes, hornos microondas o compresores de aires acondicionado y, en general, no se debe jugar con ellos. 

Como las cantidades de energía implicadas son muy pequeñas, los condensadores convencionales son poco útiles como almacenes de energía. La capacidad de un condensador se mide en faradios, una unidad que rinde homenaje a Michael Faraday, inventor del primer condensador comercial. Y, aunque no vamos a entrar en equivalencias, sí diremos que los condensadores de la fotografía inferior tienen capacidades minúsculas, que oscilan entre los picofaradios y los microfaradios, e integrarlos en el diseño de un coche eléctrico o híbrido sería bastante inútil. Es decir, la densidad energética de los condensadores (medida en Wh/kg o Wh/litro) es bastante baja. 

Condensadores convencionales
Los condensadores vulgares de la fotografía pueden funcionar a tensiones elevadas, pero apenas almacenan energía. Los supercaps cuentan con electrodos muy porosos (en el Sián, de tipo MOF, como los de las fotografías de la derecha), con una superficie que se mide en campos de fútbol.

Sin embargo, existe un aspecto en el que los condensadores son imbatibles: se pueden cargar y descargar de manera casi instantánea, en millones de ocasiones consecutivas y sin sufrir degradación alguna o envejecimiento. Una descarga instantánea se traduce en intensidades de descarga muy altas, y eso significa que pueden entregar potencias muy elevadas, aunque sea durante periodos muy cortos de tiempo. Es decir, aunque son malos almacenes de energía, son excelentes almacenes de potencia. Y, si quisiéramos hacer una analogía práctica, podríamos decir que son como muelles… muy duros y cortos.

La explicación de este superpoder reside en la forma en la que los condensadores almacenan y liberan la energía. A diferencia de las baterías, que son dispositivos basados en una reacción química, los condensadores almacenan energía en la superficie de sus electrodos, en forma de electrones extra. La ganancia de carga eléctrica, a diferencia de las reacciones químicas, es un proceso casi instantáneo, que apenas genera pérdidas en forma de calor (el proceso es muy eficiente) ni altera el volumen de los propios electrodos (de manera que no se produce ningún tipo de degradación con el tiempo).

Cómo pasar de condensador a supercondensador

Supercondensadores electrolítico de doble capa
Supercondensador electrolítico de doble capa

Los supercondensadores o supercaps son un nuevo tipo de condensador, optimizado para almacenar mayores cantidades de energía que los condensadores convencionales. Esta optimización consiste en modificar su construcción para conseguir la máxima superficie en el mínimo volumen posible. A consecuencia de los cambios en su construcción, reciben también el nombre técnico de EDLC o Electrostatic Double Layer Capacitors (ilustración superior).

La primera parte del reto se consigue empleando electrodos muy porosos. La porosidad es una cualidad muy peculiar. A simple vista, una placa de carbón activado puede tener unos pocos mm2 de superficie pero, si se observa al microscopio y se contabiliza la superficie de todos sus poros y canales, esa superficie se dispara. De hecho, un gramo de carbón activado tiene aproximadamente 3.000 metros cuadrados de superficie capaz de almacenar carga. 

Pero el carbón activado es un material muy caótico, producido gracias a pequeñas burbujas de gas, y no todos sus poros están abiertos y son adecuados para cargarse electrostáticamente. 

Por eso, se están desarrollando otras técnicas, como los aerogeles o los nanotubos de carbono, que proporcionan un espacio más regular y efectivo para almacenar la carga. 

Aquí es donde entra Lamborghini y el laboratorio de química de Mircea Dinca en el Instituto tecnológico de Massachussets. El doctor Dinca y su equipo llevan muchos años trabajando con unos compuestos especiales llamados MOF o Metal Organic Frameworks. Tal y como sugiere su nombre, se trata de compuestos orgánicos (basados en el carbono) que incorporan moléculas de elementos metálicos y que crecen en cristales que reproducen estructuras (o frameworks) regulares a escala nanométrica. 

O dicho de otra manera, el equipo de Dinca ha descubierto unos materiales conductores mucho más porosos que el carbono, y lo han aplicado a los electrodos de los supercondensadores del Lamborghini Sián, duplicando (según la marca italiana) la densidad de energía de los mejores supercaps actuales. En la página anterior tienes dos micrografías coloreadas que permiten intuir el aspecto de estos MOFs.

La segunda parte del reto consiste en reducir a la mínima expresión el grosor y peso del elemento aislante que separa a los electrodos. En los supercaps se emplea como aislante una película nanométrica de un electrolito aislante en estado líquido. Que se trate de un líquido es lo que permite producir capas muy finas. Y el hecho de que se trate de un electrolito (es decir, de una disolución con átomos capaces de cargarse eléctricamente) provoca otro truco de magia: el electrolito puede almacenar carga eléctrica, de manera que el supercap se comporta, de forma natural, como dos condensadores conectados en serie. Por supuesto, el empleo de un aislante casi invisible implica cierto peaje: aún no tenemos supercondensadores capaces de almacenar energía a tensiones superiores a los 3 voltios. 

¿De qué es capaz un supercap o supercondensador? 

Supercap gráfico

A pesar de todos los avances tecnológicos actuales, los supercaps siguen sin ofrecer una densidad de energía comparable a la de las baterías de ion-litio, tal como explicamos en el diagrama de la siguiente página. 

Se trata de dispositivos con una densidad de potencia unas siete veces superior a la de una batería de litio, que son capaces de cargarse unas mil veces más rápido y que pueden resistir unas mil veces más ciclos, pero con una densidad de energía unas 10 veces inferior. 

De esta forma, ni siquiera los supercaps del Lamborghini Sián servirían para construir un vehículo 100 % eléctrico. Para igualar la capacidad de las baterías actuales, haría falta construir un banco de condensadores cinco veces más pesado y 10 veces más voluminoso que la batería del coche eléctrico medio. En el caso de un Tesla o un Porsche Taycan, estaríamos hablando de un dispositivo de 3 toneladas de peso, y que ocuparía casi tanto como una caravana. 

La primera aplicación en la que los supercondensadores tienen sentido es en los sistemas Stop&Start y microhíbridos. Se trata de sistemas que se caracterizan por resistir una cantidad brutal de ciclos, y durante los cuales se intercambia muy poca energía. El mencionado sistema i-eLoop de Mazda es un buen ejemplo. Y el sistema híbrido del Lamborghini Sián no es más que un i-eLoop glorificado, capaz de funcionar a 48 voltios (en lugar de a 25) y con 34 CV de potencia. 

Aunque la aplicación en la que los supercondensadores sí tienen un futuro brillante es a la hora de proporcionar potencia explosiva y llevar al límite la regeneración eléctrica en los coches eléctricos, dando lugar a los primeros vehículos eléctricos híbridos (que no híbridos eléctricos) del mundo. 

Actualmente, los coches eléctricos más potentes y pesados empiezan a tener un problema grave: sus baterías tienen que estar diseñadas para soportar intensidades de descarga (durante la aceleración) y de carga (durante la frenada regenerativa) muy elevadas, capaces de calentarlas y acelerar su degradación. Sin embargo, la duración de esos procesos está muy limitada por el uso que se puede hacer del vehículo.

Lamborghini supercap
Colección de supercondensadores de Maxwell Technologies, empresa adquirida por Tesla en 2019. A la derecha, el Lamborghini Sián FKP 37.

Ya sea en carretera o circuito, acelerar a fondo durante mucho tiempo en un Porsche Taycan Turbo S o un Tesla Model S Plaid + (coches que pasan de 0 a 100 km/h en menos de 3 segundos, y capaces de alcanzar 200 km/h en menos de 9 segundos) es imposible, porque literalmente se te acaba la recta, la carretera, la pista de aterrizaje… lo que sea. Y al frenar, ocurre algo similar: en un coche de dos toneladas, realizar una frenada de emergencia mediante regeneración desde 200 km/h supondría meterle a la batería un chute inasumible de 700 kW de potencia media durante 5 segundos. 

Los supercaps abren la puerta a ofrecer esa clase de prestaciones explosivas y regeneraciones salvajes sin martirizar a la batería. También a instalar baterías más pequeñas y ligeras sin perder prestaciones punta. Pueden cargarse en un periodo de segundos o minutos, y descargarse en segundos para ofrecer esa clase de prestaciones que, por ejemplo, promete Audi cuando asegura que su RS e-tron GT es capaz de entregar 646 CV… durante 2,5 breves segundos. Si sólo se van a usar de forma puntual, los 1.000 CV de un Tesla Model S Plaid + los pueden proporcionar un banco de supercaps de 75 kilos de peso. Y probablemente, ese es el motivo por el que Tesla ya se ha hecho con Maxwell Technologies (seguramente, el mejor fabricante de supercaps del mundo).