Supercondensador: Cerrar la brecha entre baterías y capacitores

Por Fouad Sabry

¿Qué es un supercondensador?

Un supercondensador (SC), también conocido como ultracondensador, es un condensador de alta capacidad que cierra la brecha entre los condensadores electrolíticos y las baterías recargables. Tiene un valor de capacitancia que es significativamente más alto que el de otros capacitores, pero tiene límites de voltaje más bajos que otros capacitores. Es capaz de absorber y dar carga considerablemente más rápido que las baterías, y puede soportar muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables. En general, almacena de 10 a 100 veces más energía por unidad de volumen o masa que los capacitores electrolíticos.

Cómo se beneficiará

(I) Insights, y validaciones sobre los siguientes temas:

Capítulo 1: Supercondensador

Capítulo 2: Batería de iones de litio

Capítulo 3: Batería recargable

Capítulo 4: Batería zinc-aire

Capítulo 5: Tipos de condensadores

Capítulo 6: Batería de flujo

Capítulo 7: Condensador

Capítulo 8: Nanobaterías

Capítulo 9: Nanodot

Capítulo 10: Batería de papel

Capítulo 11: Doble capa (ciencia de superficies)

Capítulo 12: Condensador de iones de litio

Capítulo 13: Baterías de nanobolas

Capítulo 14: Batería de litio-aire

Capítulo 15: Carbón derivado del carburo

Capítulo 16: Pseudocondensador

Capítulo 17: Batería de zinc-cerio

Capítulo 18: Batería de iones de aluminio

Capítulo 19: Pseudocapacitancia

Capítulo 20: Capacitancia de doble capa

Capítulo 21: Investigación en baterías de iones de litio

(II) Respuestas las principales preguntas del público sobre supercondensadores.

(III) Ejemplos del mundo real para el uso de supercondensadores en muchos campos.

(IV) 17 apéndices para explicar, brevemente, 266 tecnologías emergentes en cada industria para tener una comprensión completa de 360 ​​grados de las tecnologías de supercondensadores.

Para quién es este libro

Profesionales, estudiantes de pregrado y posgrado, entusiastas, aficionados , y aquellos que quieran ir más allá del conocimiento o la información básica para cualquier tipo de supercondensador.

• Idioma: Español
• Editorial: Mil Millones De Conocimientos [Spanish]
• Fecha de lanzamiento: 18 oct 2022

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Derechos de autor

Supercondensador Copyright © 2022 por Fouad Sabry. Todos los derechos reservados.

Todos los derechos reservados. Ninguna parte de este libro puede ser reproducida en cualquier forma o por cualquier medio electrónico o mecánico, incluyendo sistemas de almacenamiento y recuperación de información, sin permiso por escrito del autor. La única excepción es por un revisor, que puede citar extractos cortos en una revisión.

Portada diseñada por Fouad Sabry.

Este libro es una obra de ficción. Los nombres, personajes, lugares e incidentes son productos de la imaginación del autor o se usan ficticiamente. Cualquier parecido con personas reales, vivas o muertas, eventos o lugares es completamente coincidencia.

Sobresueldo

Puede enviar un correo electrónico a [e-mail] con el asunto Supercondensador: Cerrando la brecha entre baterías y condensadores, y recibirá un correo electrónico que contiene los primeros capítulos de este libro.

Fouad Sabry

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www.1BKOfficial.org

Prefacio

¿Por qué escribí este libro?

La historia de escribir este libro comenzó en 1989, cuando era estudiante en la Escuela Secundaria de Estudiantes Avanzados.

Es notablemente como las escuelas STEM (Ciencia, Tecnología, Ingeniería y Matemáticas), que ahora están disponibles en muchos países avanzados.

STEM es un plan de estudios basado en la idea de educar a los estudiantes en cuatro disciplinas específicas: ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas, en un enfoque interdisciplinario y aplicado. Este término se usa típicamente para abordar una política educativa o una elección de currículo en las escuelas. Tiene implicaciones para el desarrollo de la fuerza laboral, las preocupaciones de seguridad nacional y la política de inmigración.

Había una clase semanal en la biblioteca, donde cada estudiante es libre de elegir cualquier libro y leer durante 1 hora. El objetivo de la clase es animar a los estudiantes a leer materias distintas al currículo educativo.

En la biblioteca, mientras miraba los libros en los estantes, noté libros enormes, un total de 5,000 páginas en 5 partes. El nombre del libro es La Enciclopedia de la Tecnología, que describe todo lo que nos rodea,desde el cero absoluto hasta los semiconductores, casi todas las tecnologías, en ese momento, se explicaban con ilustraciones coloridas y palabras simples. Comencé a leer la enciclopedia y, por supuesto, no pude terminarla en la clase semanal de 1 hora.

Así que convencí a mi padre para que comprara la enciclopedia. Mi padre compró todas las herramientas tecnológicas para mí al comienzo de mi vida, la primera computadora y la primera enciclopedia tecnológica, y ambas tienen un gran impacto en mí y en mi carrera.

He terminado toda la enciclopedia en las mismas vacaciones de verano de este año, y luego comencé a ver cómo funciona el universo y cómo aplicar ese conocimiento a los problemas cotidianos.

Mi pasión por la tecnología comenzó hace más de 30 años y aún así el viaje continúa.

Este libro es parte de La Enciclopedia de Tecnologías Emergentes, que es mi intento de dar a los lectores la misma experiencia increíble que tuve cuando estaba en la escuela secundaria, pero en lugar de las tecnologías del siglo 20, estoy más interesado en las tecnologías emergentes del siglo 21, las aplicaciones y las soluciones de la industria.

La Enciclopedia de Tecnologías Emergentes constará de 365 libros, cada libro se centrará en una sola tecnología emergente. Puede leer la lista de tecnologías emergentes y su categorización por industria en la parte de Próximamente, al final del libro.

365 libros para dar a los lectores la oportunidad de aumentar su conocimiento sobre una sola tecnología emergente todos los días en el transcurso de un período de un año.

Introducción

¿Cómo escribí este libro?

En cada libro de La Enciclopedia de las Tecnologías Emergentes, estoy tratando de obtener información de búsqueda instantánea y cruda, directamente de las mentes de las personas, tratando de responder a sus preguntas sobre la tecnología emergente.

Hay 3 mil millones de búsquedas en Google todos los días, y el 20% de ellas nunca se han visto antes. Son como una línea directa a los pensamientos de la gente.

A veces eso es '¿Cómo elimino el atasco de papel?'. Otras veces, son los miedos desgarradores y los anhelos secretos que solo se atreverían a compartir con Google.

En mi búsqueda por descubrir una mina de oro sin explotar de ideas de contenido sobre Supercondensador, utilizo muchas herramientas para escuchar datos de autocompletar de motores de búsqueda como Google, luego rápidamente saco cada frase y pregunta útil, la gente pregunta sobre la palabra clave Supercondensador.

Es una mina de oro de conocimiento de las personas, que puedo usar para crear contenido, productos y servicios frescos y ultra útiles. La gente amable, como tú, realmente quiere.

Las búsquedas de personas son el conjunto de datos más importante jamás recopilado sobre la psique humana. Por lo tanto, este libro es un producto en vivo, y constantemente actualizado por más y más respuestas para nuevas preguntas sobre Supercondensador, hechas por personas, como usted y yo, que se preguntan sobre esta nueva tecnología emergente y les gustaría saber más sobre ella.

El enfoque para escribir este libro es obtener un nivel más profundo de comprensión de cómo las personas buscan en torno a Supercondensador, revelando preguntas y consultas que no necesariamente pensaría en la parte superior de mi cabeza, y respondiendo estas preguntas en palabras súper fáciles y digeribles, y navegar por el libro de una manera directa.

Entonces, cuando se trata de escribir este libro, me he asegurado de que sea lo más optimizado y específico posible. El propósito de este libro es ayudar a las personas a comprender mejor y aumentar su conocimiento sobre Supercondensador. Estoy tratando de responder a las preguntas de la gente lo más cerca posible y mostrando mucho más.

Es una manera fantástica y hermosa de explorar preguntas y problemas que tienen las personas y responderlos directamente, y agregar perspicacia, validación y creatividad al contenido del libro, incluso lanzamientos y propuestas. El libro descubre áreas ricas, menos concurridas y, a veces, sorprendentes de demanda de investigación que de otro modo no alcanzaría. No hay duda de que, se espera que aumente el conocimiento de las mentes de los lectores potenciales, después de leer el libro utilizando este enfoque.

He aplicado un enfoque único para hacer que el contenido de este libro sea siempre fresco. Este enfoque depende de escuchar las mentes de las personas, mediante el uso de las herramientas de escucha de búsqueda. Este enfoque me ayudó a:

Conozca a los lectores exactamente donde están, para que pueda crear contenido relevante que toque la fibra sensible y genere una mayor comprensión del tema.

Mantén mi dedo firmemente en el pulso, para que pueda obtener actualizaciones cuando la gente hable sobre esta tecnología emergente de nuevas maneras y monitorear las tendencias a lo largo del tiempo.

Descubra tesoros ocultos de preguntas que necesitan respuestas sobre la tecnología emergente para descubrir ideas inesperadas y nichos ocultos que aumentan la relevancia del contenido y le dan una ventaja ganadora.

El bloque de construcción para escribir este libro incluye lo siguiente:

(1) He dejado de perder el tiempo en ideas viscerales y conjeturas sobre el contenido deseado por los lectores, llené el contenido del libro con lo que la gente necesita y dije adiós a las infinitas ideas de contenido basadas en especulaciones.

(2) He tomado decisiones sólidas, y he tomado menos riesgos, para obtener asientos de primera fila para lo que la gente quiere leer y quiere saber, en tiempo real, y usar los datos de búsqueda para tomar decisiones audaces, sobre qué temas incluir y qué temas excluir.

(3) He simplificado mi producción de contenido para identificar ideas de contenido sin tener que examinar manualmente las opiniones individuales para ahorrar días e incluso semanas de tiempo.

Es maravilloso ayudar a las personas a aumentar su conocimiento de una manera directa simplemente respondiendo a sus preguntas.

Creo que el enfoque de escribir este libro es único, ya que recopila y rastrea las preguntas importantes que hacen los lectores en los motores de búsqueda.

Reconocimientos

Escribir un libro es más difícil de lo que pensaba y más gratificante de lo que podría haber imaginado. Nada de esto hubiera sido posible sin el trabajo realizado por prestigiosos investigadores, y me gustaría reconocer sus esfuerzos para aumentar el conocimiento del público sobre esta tecnología emergente.

Dedicación

Para los iluminados, los que ven las cosas de manera diferente y quieren que el mundo sea mejor, no les gusta el status quo o el estado existente. Puedes estar demasiado en desacuerdo con ellos, y puedes discutir con ellos aún más, pero no puedes ignorarlos, y no puedes subestimarlos, porque siempre cambian las cosas ... Empujan a la raza humana hacia adelante, y mientras algunos pueden verlos como locos o aficionados, otros ven genios e innovadores, porque los que están lo suficientemente iluminados como para pensar que pueden cambiar el mundo, son los que lo hacen, y llevan a la gente a la iluminación.

Epígrafe

Un supercondensador (SC), también conocido como ultracondensador, es un condensador de alta capacidad que cierra la brecha entre los condensadores electrolíticos y las baterías recargables. Tiene un valor de capacitancia que es significativamente más alto que el de otros condensadores, pero tiene límites de voltaje más bajos que otros condensadores. Es capaz de  absorber y cargar considerablemente más rápido que las baterías, y puede soportar muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables. En general, almacena de 10 a 100 veces más energía por unidad de volumen o masa que los condensadores electrolíticos.

Tabla de contenidos

Derechos de autor

Sobresueldo

Prefacio

Introducción

Reconocimientos

Dedicación

Epígrafe

Tabla de contenidos

Capítulo 1: Supercondensador

Capítulo 2: Batería de iones de litio

Capítulo 3: Batería recargable

Capítulo 4: Batería de zinc-aire

Capítulo 5: Batería redox de vanadio

Capítulo 6: Tipos de condensadores

Capítulo 7: Condensador

Capítulo 8: Nanobaterías

Capítulo 9: Fosfato de hierro y litio

Capítulo 10: Batería de papel

Capítulo 11: Doble capa (ciencia de superficies)

Capítulo 12: Condensador de iones de litio

Capítulo 13: Nanoarquitecturas para baterías de iones de litio

Capítulo 14: Batería de aire de litio

Capítulo 15: Carbono derivado del carburo

Capítulo 16: Pseudocondensador

Capítulo 17: Batería de zinc y cerio

Capítulo 18: Batería de iones de aluminio

Capítulo 19: Pseudocapacitancia

Capítulo 20: Capacitancia de doble capa

Capítulo 21: Investigación en baterías de iones de litio

Epílogo

Sobre el autor

Próximamente

Apéndices: Tecnologías emergentes en cada industria

Capítulo 1: Supercondensador

Un supercondensador (SC), también conocido como ultracondensador, es un condensador de alta capacidad que cierra la brecha entre los condensadores electrolíticos y las baterías recargables. Tiene un valor de capacitancia que es significativamente más alto que el de otros condensadores, pero tiene límites de voltaje más bajos que otros condensadores. Es capaz de absorber y cargar considerablemente más rápido que las baterías, y puede soportar muchos más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables. En general, almacena de 10 a 100 veces más energía por unidad de volumen o masa que los condensadores electrolíticos.

Las aplicaciones que requieren muchos ciclos rápidos de carga / descarga en lugar de almacenamiento de energía compacto a largo plazo utilizan supercondensadores. Estas aplicaciones incluyen automóviles, autobuses, trenes, grúas y elevadores, donde se utilizan para el frenado regenerativo, el almacenamiento de energía a corto plazo o la entrega de energía en modo ráfaga. Los supercondensadores también se utilizan en aplicaciones que requieren muchos ciclos rápidos de carga / descarga. La copia de seguridad de alimentación para la memoria estática de acceso aleatorio se compone de componentes más compactos (SRAM).

Tanto la capacitancia electrostática de doble capa como la pseudocapacitancia electroquímica, que contribuyen a la capacitancia total del condensador, con algunas diferencias entre los dos, se utilizan en supercondensadores a diferencia de los condensadores ordinarios, que utilizan el dieléctrico sólido convencional. En cambio, los supercondensadores usan capacitancia electrostática de doble capa y pseudocapacitancia electroquímica:

La capacitancia electrostática de doble capa de los condensadores electrostáticos de doble capa (EDLC) es mucho mayor que la pseudocapacitancia electroquímica de los electrodos electroquímicos. Los EDLC emplean electrodos de carbono o derivados, el logro de la separación de carga dentro de una doble capa de Helmholtz en el contacto entre la superficie de un electrodo conductor y un electrolito.

La separación de carga es del orden de unos pocos ångströms (0,3-0,8 nm), mucho menos significativa que en un condensador típico.

Los pseudocondensadores electroquímicos utilizan electrodos de óxido metálico o polímero conductor con un gran nivel de pseudocapacitancia electroquímica además de la capacitancia de doble capa. Estos electrodos se utilizan en pseudocondensadores electroquímicos. La pseudocapacitancia puede ser creada por procesos redox, intercalación o electrosorción, así como a través del proceso de transferencia de carga de electrones faradaicos.

Los electrodos utilizados en condensadores híbridos, como el condensador de iones de litio, tienen propiedades variables, con uno mostrando principalmente capacitancia electrostática y el otro principalmente capacitancia electroquímica. Los condensadores híbridos se utilizan en dispositivos como el condensador de iones de litio.

La formación de una conexión conductora iónica entre los dos electrodos por el electrolito diferencia estos condensadores de los condensadores electrolíticos tradicionales, que siempre tienen una capa dieléctrica entre los electrodos y el electrolito, y la sustancia conocida como electrolito, por ejemplo, MnO2 o polímero conductor, es en realidad un componente del segundo electrodo, que se conoce como cátodo,  o, para decirlo más precisamente, el electrodo positivo).

El uso de electrodos asimétricos en supercondensadores da como resultado que los dispositivos tengan una carga polarizada o, para electrodos que son simétricos, mediante la aplicación de un voltaje durante la producción.

Se puede encontrar el desarrollo de los modelos de doble capa y pseudocapacitancia (para obtener más información sobre el modelo de doble capa (interfacial), consulte aquí).

A principios de la década de 1950, los ingenieros de General Electric comenzaron a experimentar con electrodos de carbono porosos en el diseño de condensadores. Esta fue una progresión natural de su trabajo anterior sobre celdas de combustible y baterías recargables. Además de ser un conductor eléctrico, el carbón activado es un tipo de carbón particularmente poroso y esponjoso que tiene una cantidad significativa de área de superficie. El Condensador electrolítico de bajo voltaje con electrodos de carbono poroso fue inventado por H. Becker en 1957. Tenía la impresión de que la energía se mantenía como una carga en los poros del carbono, similar a cómo los condensadores electrolíticos mantienen su carga en los poros de las láminas grabadas. No se entiende exactamente lo que está sucediendo en el componente si se utiliza para el almacenamiento de energía, pero conduce a una capacidad increíblemente grande. Declaró esto en la patente en ese momento, ya que no conocía el mecanismo de doble capa.

Al principio, General Electric no siguió esta línea de trabajo. Mientras trabajaban en diseños experimentales de celdas de combustible en 1966, los investigadores de Standard Oil of Ohio (SOHIO) produjeron otra versión del componente conocido como sistema de almacenamiento de energía eléctrica.

En los primeros condensadores electroquímicos, los electrodos consistían en dos láminas de papel de aluminio recubiertas con carbón activado. Estos electrodos se sumergieron en un electrolito y se separaron entre sí por una fina capa de aislamiento poroso. El resultado de este diseño fue un condensador que tenía una capacitancia que era del orden de un faradio, que es mucho mayor que los condensadores electrolíticos del mismo tamaño. Este diseño mecánico fundamental continúa sirviendo como base para la mayoría de los condensadores electroquímicos.

SOHIO optó por no comercializar su descubrimiento, en lugar de licenciarlo a NEC, que finalmente comercializó los hallazgos como supercondensadores en 1978. Estos fueron diseñados para suministrar energía de respaldo para la memoria de la computadora. SOHIO no comercializó su idea. Su supercondensador almacenaba carga eléctrica parcialmente en la doble capa de Helmholtz y parcialmente como resultado de reacciones faradaicas con pseudocapacitancia, transferencia de carga de electrones y protones entre el electrodo y el electrolito. Ambos mecanismos contribuyeron al almacenamiento general de la carga eléctrica. Los procesos redox, la intercalación y la electrosorción son los tres mecanismos que componen el funcionamiento de los pseudocondensadores (adsorción sobre una superficie). El trabajo de Conway contribuyó significativamente a una expansión del cuerpo de conocimiento sobre condensadores electroquímicos.

El mercado creció de manera gradual. Alrededor de 1978, Panasonic comenzó a comercializar su marca Goldcaps, lo que causó que esto cambiara. La corriente de descarga de la primera generación de EDLC estaba restringida por la resistencia interna comparativamente alta de las células. Las aplicaciones que requieren una corriente baja, como proporcionar energía a los chips SRAM o hacer copias de seguridad de los datos, las utilizaron.

Los valores de capacitancia aumentaron durante el final de la década de 1980 gracias a los avances en los materiales de los electrodos. Al mismo tiempo, el desarrollo de electrolitos con conductividad mejorada aumentó las corrientes de carga / descarga. Esto fue posible porque la resistencia en serie equivalente (ESR) disminuyó. En 1982, el Pinnacle Research Institute (PRI) produjo el primer supercondensador con una baja resistencia interna con el propósito de usarlo en aplicaciones militares. Estos supercondensadores se vendieron bajo la marca PRI Ultracapacitor. Este trabajo fue asumido por Maxwell Laboratories en 1992, que finalmente se convirtió en Maxwell Technologies. PRI fue la fuente de la cual Maxwell obtuvo el término ultracondensador; Maxwell renombró estos dispositivos Boost Caps para enfatizar su uso en aplicaciones de energía.

Los investigadores buscaban un medio para elevar el voltaje de ruptura del electrolito, ya que la cantidad de energía que se puede almacenar en los condensadores crece en proporción al cuadrado del voltaje. David A. Evans inventó el Condensador electrolítico electrolítico híbrido en 1994 utilizando el ánodo de un condensador electrolítico de tantalio de alto voltaje. Este condensador tenía una capacidad de 200 voltios. Debido al exorbitante costo de producción, solo podían usarse para fines militares restringidos.

Un avance tecnológico reciente es el uso de condensadores de iones de litio. En 2007, FDK de Fujitsu fue pionera en el desarrollo de estos condensadores híbridos. Mezclan un electrodo electroquímico de iones de litio predopado con un electrodo de carbono electrostático para crear la batería. El valor de capacitancia aumenta como resultado de esta combinación. Además, el procedimiento de predopaje lleva a un potencial de ánodo más bajo y un alto voltaje de salida de celda, que en conjunto contribuyen a un aumento aún mayor en la energía específica.

Los departamentos de investigación de muchas organizaciones y universidades diferentes están tratando activamente de mejorar cualidades como la estabilidad del ciclo, la energía específica y la potencia específica, así como reducir los costos de fabricación.

Los condensadores electroquímicos, también conocidos como supercondensadores, están formados por dos electrodos que están separados físicamente por un separador hecho de una membrana permeable a los iones y un electrolito que conecta iónicamente ambos electrodos. Un voltaje aplicado polarizará los electrodos, y esto hará que los iones en el electrolito creen capas dobles eléctricas con polaridades opuestas a las de los electrodos. Por ejemplo, los electrodos polarizados positivamente tendrán una capa de iones negativos en la interfaz electrodo/electrolito, así como una capa de equilibrio de carga de iones positivos que se adsorben en la capa negativa. Esto se debe a que los electrodos polarizados positivamente tienen una carga positiva neta. Por otro lado, el electrodo polarizado negativamente demuestra el comportamiento opuesto.

Además, el material del electrodo y la forma de la superficie pueden influir en si algunos iones pueden o no pasar a través de la doble capa, transformarse en iones adsorbidos con precisión y aumentar la capacitancia general del supercondensador a través del proceso conocido como pseudocapacitancia.

Los dos electrodos forman un circuito en serie de dos condensadores individuales C 1 y C2.

La capacitancia total Ctotal viene dada por la fórmula

C_{\text{total}}={\frac {C_{1}\cdot C_{2}}{C_{1}+C_{2}}}

Los electrodos en los supercondensadores pueden ser simétricos o asimétricos en disposición.

Si los electrodos son simétricos, entonces ambos deben tener el mismo valor de capacitancia, produciendo una capacitancia total de la mitad del valor de cada electrodo individual (si C 1 = C 2, entonces C total = 1 /2  C1).

Cuando se trata de condensadores asimétricos, la capacitancia total se puede tomar como la del electrodo con la capacitancia más pequeña (si C 1 >> C 2, entonces C total ≈  C2).

El efecto de dos capas es utilizado por condensadores electroquímicos para almacenar energía eléctrica; Sin embargo, esta doble capa no tiene un dieléctrico sólido tradicional para separar eficazmente las cargas. Un condensador electroquímico tiene dos principios de almacenamiento diferentes en la doble capa eléctrica de los electrodos, y cada uno de estos principios de almacenamiento contribuye a la capacitancia general del condensador:

La capacitancia de doble capa se refiere al almacenamiento electrostático de la energía eléctrica que se puede lograr al lograr la separación de carga en una doble capa de Helmholtz.

La pseudocapacitancia es el almacenamiento electroquímico de la energía eléctrica que se logra mediante reacciones redox faradaicas con transferencia de carga.

Los métodos de medición son la única forma de diferenciar entre las dos capacitancias. Aunque la capacitancia de cada principio de almacenamiento puede variar mucho, la cantidad de carga que se puede almacenar en un condensador electroquímico es principalmente proporcional al tamaño del electrodo. Esto es a pesar del hecho de que el condensador electroquímico puede almacenar una cantidad significativa de carga por unidad de voltaje.

Cada condensador electroquímico contiene dos electrodos que están acoplados iónicamente entre sí a través del electrolito. Estos electrodos están separados mecánicamente entre sí por un separador. El electrolito es una combinación de iones cargados positivamente y cargados negativamente que se han disuelto en un líquido como el agua. Cada una de las dos superficies de electrodos tiene una región que sirve como punto de partida para un área en la que el electrolito líquido hace contacto con la superficie metálica conductora del electrodo. Esta interfaz crea un límite compartido entre dos fases distintas de la materia, como una superficie de electrodo sólido insoluble y un electrolito líquido adyacente. Una de estas fases es la superficie del electrodo, mientras que la otra es el electrolito. Un fenómeno muy singular conocido como el efecto de dos capas tiene lugar justo aquí en esta interfaz.

Cuando se aplica un voltaje a un condensador electroquímico, hace que ambos electrodos del condensador formen capas dobles eléctricas. Estas capas dobles se componen de dos capas diferentes de cargas: una capa electrónica se puede encontrar en la estructura reticular superficial del electrodo, y la otra, que tiene la polaridad opuesta, emerge de los iones disueltos y solvatados en el electrolito. Ambas capas tienen polaridades opuestas. Una monocapa de moléculas de disolvente, o moléculas de agua en el caso del agua como disolvente, actúa como separador entre los dos niveles; esta monocapa se conoce como el plano interno de Helmholtz (IHP). Las moléculas de disolvente se adhieren a la superficie del electrodo a través de un proceso conocido como adsorción física. Al hacerlo, dividen los iones polarizados opuestos entre sí y pueden conceptualizarse como una especie de dieléctrico molecular. Debido a que no hay intercambio de carga entre el electrodo y el electrolito durante todo el proceso, la adhesión no es causada por enlaces químicos sino por fuerzas físicas, como las fuerzas electrostáticas. Las moléculas que han sido adsorbidas están polarizadas, pero como no hay transferencia de carga entre el electrolito y el electrodo, no han sufrido ningún cambio químico.

La cantidad de carga que está presente en el electrodo es equivalente al nivel de contracargas que están presentes en el plano exterior de Helmholtz (OHP). Este fenómeno de doble capa cumple la misma función que un condensador típico al almacenar cargas eléctricas. La carga en la doble capa crea un campo eléctrico estático en la capa molecular de las moléculas de disolvente en el IHP. La magnitud de este campo es proporcional a la intensidad del voltaje que se aplica.

Aunque solo tiene el grosor de una sola molécula, la doble capa realiza una función similar a la de la capa dieléctrica en un condensador tradicional. Por lo tanto, la fórmula que se utiliza para calcular la capacitancia de los condensadores de placa tradicionales también se puede utilizar para estos condensadores:

C=\varepsilon {\frac {A}{d}} .

En consecuencia, la capacitancia C es mayor en condensadores hechos de materiales con un alto ε de permitividad, áreas de superficie altas de las placas de electrodos A y una corta distancia entre las placas d.

Como consecuencia, los valores de capacitancia de los condensadores de doble capa son mucho mayores que los de los condensadores regulares, que surgen de la superficie extremadamente grande de los electrodos de carbón activado y la distancia de doble capa extremadamente delgada del orden de unos pocos ångströms (0.3-0.8 nm), de acuerdo con la longitud de la escala de Debye.

como resultado de la capacitancia de la carga espacial iónica.

Por lo tanto, existe la posibilidad de que un aumento en la capacitancia cuántica de las nanoestructuras de electrodos de carbono podría acoplarse a un aumento posterior en la densidad de capacitancia de los SC.

El tamaño del electrodo es el factor principal que determina la cantidad de carga que se puede almacenar en un condensador electroquímico para cada unidad de voltaje. El almacenamiento electrostático de energía en capas dobles es lineal con respecto a la carga almacenada y corresponde a la concentración de los iones adsorbidos. Esto se debe a que la carga almacenada es proporcional a la cantidad de energía que se está almacenando. Además, la carga se transfiere a través de electrones en condensadores convencionales, mientras que en condensadores de doble capa, la capacitancia está relacionada con la velocidad de movimiento limitada de los iones en el electrolito y la estructura porosa resistiva de los electrodos. Esto contrasta con la forma en que se transfiere la carga en los condensadores convencionales. Debido a que no hay reacciones químicas que tengan lugar dentro del electrodo o el electrolito, la capacidad de las capas dobles eléctricas para cargarse y descargarse es, en teoría, ilimitada. Lo único que puede acortar la vida útil de los supercondensadores reales es el impacto de la evaporación del electrolito.

Cuando se aplica un voltaje a los terminales de un condensador electroquímico, los iones electrolíticos se mueven al electrodo polarizado opuesto. Esta acción crea una doble capa, con una sola capa de moléculas de disolvente que sirve como separador entre las dos capas. La pseudocapacitancia puede surgir si algunos iones adsorbidos del electrolito se abren paso a través de la doble capa. Esta pseudocapacitancia almacena energía eléctrica por medio de reacciones redox faradaicas reversibles en la superficie de electrodos apropiados en un condensador electroquímico que tiene una doble capa eléctrica.) debido al hecho de que solo se está llevando a cabo una transferencia de cargo.

Los estados de electrones de valencia, también conocidos como orbitales, del reactivo del electrodo redox son donde los electrones que participan en los procesos faradaicos son transportados hacia o desde. Entran en el electrodo negativo y luego fluyen a través del circuito externo hacia el electrodo positivo, donde encuentran una segunda capa doble que se ha desarrollado con una cantidad igual de aniones. En lugar de ser transmitidos a los aniones que están construyendo la doble capa, los electrones que llegan al electrodo positivo permanecen en los iones de metales de transición intensamente ionizados y hambrientos de electrones que están en la superficie del electrodo. Como consecuencia de esto, la capacidad de almacenamiento de la pseudocapacitancia faradaica se ve restringida debido a la cantidad insuficiente de reactivo presente en la superficie accesible.

Debido a que todas las reacciones de pseudocapacitancia tienen lugar solo con iones dessolvatados, que son mucho más pequeños que los iones solvatados con sus capas solvatantes, una pseudocapacitancia faradaica solo puede ocurrir junto con una capacitancia estática de doble capa. Su magnitud puede exceder el valor de la capacitancia de doble capa para la misma área de superficie en un factor de 100, dependiendo de la naturaleza y estructura del electrodo. Esto se debe al hecho de que una farada Dentro de algunas limitaciones limitadas, la cantidad de pseudocapacitancia sigue una función lineal. Estos límites están dictados por el grado de cobertura superficial potencialmente dependiente alcanzado por los aniones adsorbidos.

La capacidad de los electrodos para lograr efectos de pseudocapacitancia mediante el uso de reacciones redox, intercalación o electrosorción depende en gran medida de la afinidad química de los materiales del electrodo con los iones que se adsorben en la superficie del electrodo, además de la forma y el diámetro de los poros del electrodo.

Los materiales que exhiben comportamiento redox para su uso como electrodos en pseudocondensadores son óxidos de metales de transición como RuO2, IrO2 o MnO2 insertados por dopaje en el material del electrodo conductor como el carbón activo, además de recubrir el material del electrodo con polímeros conductores como polianilina o derivados del politiofeno.

La cantidad de carga eléctrica que puede mantenerse en una pseudocapacitancia es directamente proporcional a la cantidad de voltaje que se le aplica. El faradio es la unidad de medida de la pseudocapacitancia.

Los condensadores convencionales, también conocidos como condensadores electrostáticos, consisten en dos electrodos que están separados por una sustancia dieléctrica. Ejemplos de condensadores convencionales son los condensadores cerámicos y los condensadores de película. Después de ser cargada, la energía se mantiene en un campo eléctrico estático que penetra en el dieléctrico que se encuentra entre los electrodos. La energía total es proporcional a la cantidad de carga que se ha acumulado, que a su vez tiene una relación lineal con el potencial (voltaje) que existe entre las placas. La intensidad del campo de ruptura del dieléctrico tiene un efecto limitante sobre la mayor diferencia de potencial que puede existir entre las placas (la tensión máxima). El mismo principio de almacenamiento estático se aplica a