Investigadores del IISc han diseñado un nuevo supercondensador que se carga con la luz, podría reemplazar las células solares en las farolas y alimentar dispositivos electrónicos

Investigadores del Departamento de Instrumentación y Física Aplicada (IAP) del Instituto Indio de Ciencia (IISc), en colaboración con otros científicos, han diseñado un nuevo supercondensador que puede cargarse mediante la exposición a la luz. Este tipo de supercondensadores puede ser utilizado en una amplia gama de dispositivos, incluidos los sistemas de alumbrado público y dispositivos electrónicos autoalimentados, como sensores.

• Investigadores del Instituto Indio de Ciencia (IISc) crean supercondensador cargado por luz.
• Almacenamiento de energía para dispositivos autoalimentados (sensores, farolas, etc.).
• Supercondensadores: versiones mejoradas de condensadores con mayor capacidad.
• Electrodo hecho de nanovarillas de óxido de zinc (ZnO) sobre óxido de estaño dopado con flúor (FTO).
• FTO transparente permite que la luz cargue el supercondensador a través de las nanovarillas de ZnO.
• Uso de dos electrolitos: líquido y gel semisólido para mejor conducción.

Los condensadores son dispositivos electrostáticos que almacenan energía en forma de cargas sobre dos placas metálicas, llamadas electrodos. Los supercondensadores son versiones mejoradas de los condensadores, ya que aprovechan fenómenos electroquímicos para almacenar una mayor cantidad de energía. La profesora Abha Misra, del IAP y autora principal del estudio publicado en el Journal of Materials Chemistry A, explica que los supercondensadores ofrecen una mayor capacidad de almacenamiento que los condensadores convencionales.

Diseño del supercondensador fotocargable

Los electrodos de este nuevo supercondensador están compuestos por nanovarillas de óxido de zinc (ZnO), que se desarrollaron directamente sobre óxido de estaño dopado con flúor (FTO), un material transparente. Este fue sintetizado por Pankaj Singh Chauhan, primer autor y becario postdoctoral CV Raman en el grupo de investigación de Misra en el IISc.

Tanto el ZnO como el FTO son semiconductores con niveles de energía alineados de manera adecuada, lo que permite un rendimiento superior del supercondensador fotocargable. La transparencia del FTO facilita que la luz incida sobre las nanovarillas de ZnO, activando el proceso de carga del supercondensador. Para facilitar la conducción entre los electrodos, se utilizaron dos tipos de electrolitos: uno líquido y otro en forma de gel semisólido.

Capacitancia y propiedades innovadoras

La capacidad para almacenar cargas, conocida como capacitancia, es inversamente proporcional a la distancia entre los electrodos. «Cuando la distancia se reduce significativamente, la capacitancia aumenta exponencialmente», explica Misra. En los condensadores electrostáticos tradicionales, es difícil mantener distancias mínimas entre los electrodos. Sin embargo, en un supercondensador, los iones cargados del electrolito se atraen hacia los electrodos, creando una capa de carga extremadamente cercana, conocida como doble capa eléctrica (EDL, por sus siglas en inglés), lo que genera una alta capacitancia.

Cuando los investigadores expusieron su supercondensador a luz ultravioleta (UV), observaron un incremento significativo en la capacitancia, mucho mayor que en supercondensadores reportados previamente. Además, detectaron dos propiedades inusuales. En primer lugar, aunque la capacitancia generalmente disminuye a medida que aumenta el voltaje, en este caso, la capacitancia bajo la luz UV aumentaba conforme se incrementaba el voltaje, un comportamiento que denominaron «efecto cuello de botella». Esto podría deberse a la alta porosidad de los electrodos, según explica el profesor A.M. Rao de la Universidad de Clemson, coautor del estudio.

En segundo lugar, descubrieron que, cuando el supercondensador se cargaba a una velocidad mayor, la energía almacenada normalmente debería reducirse, ya que los iones en el electrolito no pueden moverse lo suficientemente rápido para adaptarse a la tasa de carga. Sin embargo, con el electrolito líquido, observaron que la energía almacenada en el supercondensador aumentaba sorprendentemente al cargarlo rápidamente bajo luz UV.

Mihir Parekh, investigador postdoctoral en el grupo de Rao, desarrolló modelos teóricos para explicar estos fenómenos novedosos. Los hallazgos abren la posibilidad de desarrollar supercondensadores que, simultáneamente, carguen rápidamente y almacenen grandes cantidades de energía.

Funcionamiento:

• Capacitancia (capacidad de almacenar cargas) aumenta al reducir distancia entre electrodos.
• Formación de doble capa eléctrica (EDL) mejora la capacitancia.
• Luz ultravioleta (UV) aumenta significativamente la capacitancia.
• Propiedades inusuales: capacitancia crece con voltaje y mejora al cargarse rápidamente.

Básicamente, es como tener una batería que se carga sola cuando le da el sol.

Imagina que un supercondensador es como una especie de batería especial, pero mucho más rápida. Al igual que una batería, puede almacenar energía y luego usarla cuando la necesitas, pero lo hace de una forma diferente y mucho más rápida.

Ahora, este supercondensador fotocargable es súper especial porque no solo se carga enchufándolo a la electricidad, sino que también se puede cargar usando luz, como la luz del sol o luz ultravioleta. Así que, cuando le da la luz, este supercondensador guarda energía, igual que cuando pones una batería a cargar.

El supercondensador tiene dentro unas piezas pequeñitas llamadas nanovarillas de óxido de zinc. Estas nanovarillas son como antenitas que captan la luz y la convierten en energía. Todo esto está montado sobre un material transparente que deja pasar la luz, llamado óxido de estaño dopado con flúor.

Entonces, cuando la luz le da a esas varillas, empiezan a almacenar energía como si fuera magia. Esa energía se guarda y luego se puede usar para alimentar cosas, como luces o pequeños dispositivos, como un teléfono o una lámpara.

Potencial de los supercondensadores en aplicaciones sostenibles

Para diseñar el supercondensador, el equipo se basó en dos conceptos clave. En primer lugar, aumentaron la superficie de los electrodos al combinar dos interfaces semiconductoras ópticamente activas, lo que maximiza la interacción con la luz y, en consecuencia, genera más carga. En segundo lugar, utilizaron un electrolito líquido para asegurar una EDL eficiente. Estos factores, combinados, resultaron en un rendimiento superior del dispositivo.

Según Misra, el diseño del supercondensador podría ajustarse para permitir que también se cargue con luz visible e infrarroja, lo que ampliaría aún más su utilidad en diversas aplicaciones. El equipo del IISc y de la Universidad de Clemson planea continuar investigando estos fenómenos para mejorar el diseño de supercondensadores.

Los supercondensadores tienen múltiples aplicaciones, particularmente en el ámbito de la sostenibilidad. Podrían reemplazar a las células solares utilizadas en farolas, ya que tienen una alta densidad de potencia, lo que les permite liberar energía mucho más rápidamente que las baterías tradicionales. Además, se pueden emplear en chips electrónicos de dispositivos como teléfonos móviles.

Misra menciona que han miniaturizado estos supercondensadores a escala micrométrica, lo que permite su integración en chips microelectrónicos. Esto abre la puerta a una nueva generación de dispositivos autoalimentados, con aplicaciones que van desde la electrónica de consumo hasta sistemas de energías renovables más eficientes y sostenibles.

Innovaciones:

• Superficie del electrodo ampliada para captar más luz.
• Electrolito líquido asegura formación eficiente de EDL.
• Supercondensador puede cargarse con luz visible e infrarroja.

Aplicaciones:

• Sustituto potencial de paneles solares en farolas.
• Alta densidad de potencia: descarga energía rápidamente, mejor que baterías.
• Miniaturización a escala micrométrica para integrarse en chips electrónicos.

Relevancia para la sostenibilidad y el futuro de la energía

El desarrollo de estos supercondensadores fotocargables representa un paso importante hacia la creación de dispositivos más sostenibles y eficientes energéticamente. Al poder cargarse con luz, estos supercondensadores reducen la dependencia de fuentes de energía tradicionales y contaminantes. En combinación con otras tecnologías renovables, como la energía solar, los supercondensadores podrían ser fundamentales para reducir la huella de carbono en sistemas de energía y dispositivos electrónicos.

En un mundo donde la transición hacia energías limpias es una prioridad, innovaciones como estos supercondensadores son clave para alcanzar los objetivos de sostenibilidad global. Además de su aplicación en alumbrado público y dispositivos electrónicos, podrían integrarse en infraestructuras energéticas a gran escala, como sistemas de almacenamiento para plantas de energía renovable, contribuyendo a un futuro más verde y eficiente.

Más información: rsc.org

Ventajas del supercondensador fotocargable:

1. Carga rápida: Los supercondensadores se cargan mucho más rápido que las baterías tradicionales, lo que permite obtener energía de manera más eficiente.
2. Carga mediante luz: La posibilidad de cargar con luz (como la solar o ultravioleta) significa que no necesita estar conectado a una fuente de energía eléctrica para funcionar, lo que lo hace ideal para aplicaciones en lugares remotos o al aire libre.
3. Larga vida útil: Los supercondensadores pueden cargarse y descargarse muchas más veces que las baterías convencionales sin perder su capacidad de almacenamiento, lo que los hace más duraderos.
4. Alta densidad de potencia: Pueden liberar energía rápidamente, lo que es ideal para dispositivos que requieren mucha energía en un corto periodo de tiempo.
5. Sostenibilidad: Al cargarse con luz, reduce la dependencia de fuentes de energía no renovables, lo que contribuye a disminuir la huella de carbono.
6. Miniaturización: Pueden fabricarse en tamaños muy pequeños, lo que permite integrarlos fácilmente en dispositivos electrónicos pequeños, como teléfonos móviles o sensores.

Desventajas del supercondensador fotocargable:

1. Baja densidad de energía: Aunque pueden liberar energía rápidamente, no pueden almacenar tanta energía como una batería tradicional. Esto significa que, aunque se carguen rápido, no pueden alimentar un dispositivo durante mucho tiempo.
2. Dependencia de la luz: Si se utiliza en condiciones donde no hay suficiente luz (por ejemplo, durante la noche o en interiores), la carga del supercondensador puede ser limitada.
3. Costos de fabricación: La tecnología para crear estos supercondensadores aún es relativamente nueva, por lo que los costos de producción pueden ser más altos en comparación con baterías tradicionales.
4. Limitaciones de materiales: Los materiales utilizados (como el óxido de zinc y el óxido de estaño dopado con flúor) pueden ser costosos o difíciles de obtener a gran escala.
5. Almacenamiento limitado en climas adversos: Las condiciones de luz ultravioleta o la exposición prolongada al sol pueden no estar disponibles en todas partes, lo que podría limitar su funcionalidad en ciertas regiones o climas.