¿Qué es un Condensador de Iones de Litio?
Un condensador de iones de litio es un dispositivo de almacenamiento de energía que combina las propiedades de un condensador eléctrico de doble capa y de una batería de iones de litio.
En inglés, se abrevia LIC porque se escribe “Lithium Ion Capacitor”, y se distingue del LiB, que es una batería de iones de litio.
En comparación con el condensador eléctrico de doble capa (EDLC), los LIC tienen una mayor densidad de energía y una mayor densidad de potencia que las baterías de iones de litio. Debido a estas características diferentes, se segregan en función de su aplicación.
Aplicaciones de los Condensadores de Iones de Litio
Los condensadores de iones de litio son materiales de almacenamiento de energía con una alta densidad energética y de potencia, así como una excelente seguridad y durabilidad. Se espera que sustituyan a las baterías de iones de litio en campos que requieren un alto rendimiento, donde las baterías de iones de litio no son adecuadas. También pueden utilizarse en situaciones en las que se requiera densidad de energía, algo para lo que no sirven los condensadores eléctricos de doble capa, y en aplicaciones en las que se apliquen cargas de alta temperatura y alto voltaje.
Presentan excelentes características de carga y descarga rápidas, altas temperaturas, durabilidad y fiabilidad, y pueden manipularse con seguridad. Como pueden utilizarse de forma estable durante mucho tiempo incluso después de repetidas cargas y descargas, se están considerando para una amplia gama de aplicaciones, como la generación de energía fotovoltaica y eólica, los dispositivos de compensación instantánea de caídas de tensión, la maquinaria industrial y las aplicaciones relacionadas con el tráfico y los vehículos.
Los condensadores de iones de litio también se han considerado para su uso como fuente de energía en vehículos eléctricos, pero su densidad energética es inferior a la de las baterías de iones de litio y son inferiores en términos de autonomía de crucero, por lo que las baterías de iones de litio se utilizan sobre todo en aplicaciones de vehículos eléctricos. Sin embargo, en comparación con las baterías de iones de litio, los condensadores de iones de litio son superiores en términos de carga y descarga rápidas, por lo que se está considerando su uso en vehículos con un recorrido fijo, como tranvías y autobuses, donde se cargan en paradas y estaciones y se almacena energía para el trayecto.
Principios de los Condensadores de Iones de Litio
Un condensador de iones de litio consta de una célula, un electrodo positivo, un electrodo negativo y un electrolito, y puede cargarse y descargarse repetidamente por adsorción y desorción de iones de litio en el electrolito de los electrodos positivo y negativo. Cuando se aplica tensión a un condensador de iones de litio, los iones de litio se adsorben en el electrodo negativo y los aniones se adsorben físicamente en el electrodo positivo.
Cuando se descarga desde este estado, los iones de litio en el ánodo se desorben y en el cátodo los iones de litio se adsorben después de que los aniones se desorban. Con la carga y descarga, el electrodo positivo utiliza la adsorción y desorción físicas, como en un condensador eléctrico de doble capa, mientras que el electrodo negativo utiliza la adsorción y desorción de iones de litio, con reacciones químicas, como en una batería secundaria de iones de litio.
Los Condensadores de Iones de Litio requieren tensiones de célula más altas para aumentar la densidad de energía. Esto se debe a que la cantidad de energía almacenada se expresa como E = CV2/2 (C: capacitancia, V: tensión de la célula). La tensión es la diferencia de potencial entre los potenciales positivo y negativo del electrodo, pero elevar el potencial positivo del electrodo provoca la descomposición oxidativa del material, por lo que en los condensadores deiones de litio el electrodo negativo se dopa previamente con litio en la fase de fabricación para reducir el potencial negativo del electrodo y aumentar la diferencia de potencial durante la carga.
Estructura de un Condensador de Iones de Litio
Un condensador está formado principalmente por una célula, un electrodo positivo, un electrodo negativo, un electrolito y un separador. En los condensadores de iones de litio, se utiliza carbón activado como material activo para el electrodo positivo, mientras que el material activo para el electrodo negativo tiene una pequeña superficie específica, similar a la de las baterías de iones de litio.
Se utilizan materiales de carbono como el carbono duro, que puede doparse con iones de litio. Se utiliza aluminio para el electrodo positivo y cobre para los colectores de corriente del electrodo negativo, pero son porosos ya que necesitan permitir que los iones de litio penetren a través de ellos para el dopaje con litio en el proceso de fabricación que se describe a continuación.
Como electrolito, el electrolito orgánico suele fabricarse disolviendo sales de litio como LiBF4 (tetrafluoroborato de litio) y LiPF6 (hexafluorofosfato de litio) en un disolvente orgánico. Se utilizan separadores con una excelente permeabilidad a los iones de litio e impregnación del electrolito.