Els supercondensadors poden substituir les bateries dels vehicles elèctrics?

Els cotxes i els híbrids elèctrics estan fermament arrelats a la ment dels automobilistes moderns com una nova ronda en l’evolució dels vehicles. En comparació amb els models equipats amb ICE, aquests vehicles tenen els seus propis avantatges i desavantatges.

Els avantatges sempre inclouen un funcionament silenciós, així com l’absència de contaminació durant la conducció (encara que avui en dia, fabricar una bateria per a un vehicle elèctric contamina el medi ambient més de 30 anys de funcionament d’un sol motor dièsel).

El principal desavantatge dels vehicles elèctrics és la necessitat de carregar la bateria. En relació amb això, els principals fabricants d'automòbils estan desenvolupant diverses opcions per augmentar la durada de la bateria i augmentar l'interval entre les càrregues. Una d’aquestes opcions és l’ús de supercondensadors.

Penseu en aquesta tecnologia utilitzant l’exemple d’una nova indústria automobilística: Lamborghini Sian. Quins avantatges i desavantatges té aquest desenvolupament?

Novetat al mercat del vehicle elèctric

Quan Lamborghini comenci a llançar un híbrid, podeu estar segur que no només serà una versió més potent del Toyota Prius.

Sian, el debut de la companyia italiana d’electrificació, és el primer cotxe híbrid de producció (un enorme 63) que utilitza supercondensadors en lloc de bateries de ions de liti.

Molts físics i enginyers creuen que són la clau de la mobilitat elèctrica massiva, en lloc de les bateries de ions de liti. Sian els utilitza per emmagatzemar electricitat i, si cal, alimentar-la al seu petit motor elèctric.

Els avantatges dels supercondensadors

Els supercondensadors carreguen i alliberen energia molt més ràpidament que la majoria de les bateries modernes. A més, poden suportar significativament més cicles de càrrega i descàrrega sense perdre capacitat.

En el cas de Sian, el supercondensador acciona un motor elèctric de 25 quilowatts integrat a la caixa de canvis. Pot proporcionar un impuls addicional al motor V6,5 de 12 litres de 785 cavalls de potència, o conduir el cotxe esportiu tot sol durant maniobres de baixa velocitat, com ara aparcar.

Com que la càrrega és molt ràpida, no cal connectar aquest híbrid a una presa de corrent o a una estació de càrrega. Els supercondensadors es carreguen completament cada vegada que el vehicle frena. Els híbrids de bateria també recuperen l’energia de frenada, però són lents i només ajuden parcialment a ampliar la gamma elèctrica.

El supercondensador té un altre gran triomf: el pes. Al Lamborghini Sian, tot el sistema, el motor elèctric més el condensador, només afegeix 34 quilograms al pes. En aquest cas, l'augment de potència és de 33,5 cavalls. En comparació, només la bateria del Renault Zoe (amb 136 cavalls de força) pesa uns 400 kg.

Inconvenients dels supercondensadors

Per descomptat, els supercondensadors també tenen desavantatges en comparació amb les bateries. Amb el temps, acumulen energia molt pitjor: si Sian no ha muntat durant una setmana, no queda energia al condensador. Però també hi ha possibles solucions a aquest problema. Lamborghini treballa amb el Massachusetts Institute of Technology (MIT) per crear un model purament elèctric basat en supercondensadors, el famós concepte Terzo Millenio (Tercer Mil·lenni).

bst

Per cert, Lamborghini, que està sota els auspicis del Grup Volkswagen, no és l'única empresa que experimenta en aquest àmbit. Els models híbrids de Peugeot porten anys utilitzant supercondensadors, igual que els models de pila de combustible d'hidrogen de Toyota i Honda. Els fabricants xinesos i coreans els estan instal·lant en autobusos i camions elèctrics. I l'any passat, Tesla va comprar Maxwell Electronics, un dels fabricants de supercondensadors més grans del món, un senyal segur que almenys Elon Musk creu en el futur de la tecnologia.

7 dades clau per entendre els supercondensadors

1 Com funcionen les bateries

La tecnologia de les bateries és una de les coses que fa temps que donem per fetes sense pensar en com funciona. La majoria de la gent s'imagina que quan es carrega, simplement "aboquem" electricitat a la bateria, com l'aigua en un got.

Però una bateria no emmagatzema electricitat directament, sinó que només la genera quan la necessita per una reacció química entre dos elèctrodes i un fluid (el més habitual) que els separa, anomenat electròlit. En aquesta reacció, els productes químics que hi ha es converteixen en altres. Durant aquest procés, es genera electricitat. Quan es converteixen completament, la reacció s'atura: la bateria es descarrega.

Tanmateix, amb les bateries recarregables, la reacció també es pot produir en la direcció oposada: quan la carregueu, l'energia inicia el procés invers, que restaura els productes químics originals. Això es pot repetir centenars o milers de vegades, però inevitablement hi ha pèrdues. Amb el temps, les substàncies paràsites s'acumulen als elèctrodes, de manera que la durada de la bateria és limitada (normalment de 3000 a 5000 cicles).

2 Com funcionen els condensadors

No es produeixen reaccions químiques al condensador. Les càrregues positives i negatives són generades exclusivament per electricitat estàtica. Dins del condensador hi ha dues plaques metàl·liques conductores separades per un material aïllant anomenat dielèctric.

La càrrega és molt similar a fregar una bola en un jersei de llana perquè quedi enganxada amb electricitat estàtica. Les càrregues positives i negatives s’acumulen a les plaques i el separador entre elles, que impedeix que entrin en contacte, és en realitat un mitjà per emmagatzemar energia. El condensador es pot carregar i descarregar fins i tot un milió de vegades sense perdre capacitat.

3 Què són els supercondensadors

Els condensadors convencionals són massa petits per emmagatzemar energia; normalment es mesuren en microfarads (milions de farads). Per això es van inventar els supercondensadors a la dècada de 1950. En les seves variants industrials més grans, fabricades per empreses com Maxwell Technologies, la capacitat arriba a diversos milers de farads, és a dir, el 10-20% de la capacitat d'una bateria d'ions de liti.

4 Com funcionen els supercondensadors

A diferència dels condensadors convencionals, no hi ha dielèctric. En canvi, les dues plaques estan immerses en un electròlit i separades per una capa aïllant molt prima. En realitat, la capacitat d'un supercondensador augmenta a mesura que augmenta l'àrea d'aquestes plaques i la distància entre elles disminueix. Per augmentar la superfície, actualment estan recoberts amb materials porosos com els nanotubs de carboni (tan petits que 10 milions d'ells en caben en un cm quadrat). El separador pot tenir només una molècula de gruix amb una capa de grafè.

Per entendre la diferència, el millor és pensar l’electricitat com a aigua. Un condensador senzill seria com una tovallola de paper que pot absorbir una quantitat limitada. El supercondensador és l’esponja de cuina de l’exemple.

5 bateries: avantatges i inconvenients

Les bateries tenen un avantatge important: una alta densitat d'energia, que els permet emmagatzemar quantitats relativament grans d'energia en un petit dipòsit.

Tanmateix, també tenen molts desavantatges: pes pesat, vida limitada, càrrega lenta i alliberament d'energia relativament lent. A més, s'utilitzen metalls tòxics i altres substàncies perilloses per a la seva producció. Les bateries només són eficients en un rang de temperatures estret, de manera que sovint s'han de refredar o escalfar, reduint la seva alta eficiència.

6 supercondensadors: avantatges i inconvenients

Els supercondensadors són molt més lleugers que les bateries, la seva vida útil és incomparablement més llarga, no requereixen substàncies perilloses, carreguen i alliberen energia gairebé a l'instant. Com que gairebé no tenen resistència interna, no consumeixen energia per funcionar: la seva eficiència és del 97-98%. Els supercondensadors funcionen sense desviacions significatives en tot el rang de -40 a +65 graus centígrads.

L’inconvenient és que emmagatzemen menys energia que les bateries de ions de liti.

7 Contingut nou

Fins i tot els supercondensadors moderns més avançats no poden substituir completament les bateries dels vehicles elèctrics. Però molts científics i empreses privades estan treballant per millorar-los. Per exemple, al Regne Unit, Superdielectrics treballa amb un material desenvolupat originalment per a la producció de lents de contacte.

Skeleton Technologies treballa amb el grafè, una forma al·lotròpica de carboni. Una capa d'un àtom de gruix és 100 vegades més resistent que l'acer d'alta resistència, i només 1 gram d'ella pot cobrir 2000 metres quadrats. L'empresa va instal·lar supercondensadors de grafè en furgonetes dièsel convencionals i va aconseguir un estalvi de combustible del 32%.

Tot i que els supercondensadors no poden substituir completament les bateries, avui en dia hi ha una tendència positiva en el desenvolupament d’aquesta tecnologia.

Preguntes i respostes:

Com funciona un supercondensador? Funciona de la mateixa manera que un condensador d'alta capacitat. En ell, s'acumula electricitat a causa de l'estàtica durant la polarització de l'electròlit. Tot i que és un dispositiu electroquímic, no es produeix cap reacció química.

Per a què serveix un supercondensador? Els supercondensadors s'utilitzen per emmagatzemar energia, engegar motors, en vehicles híbrids, com a fonts de corrent a curt termini.

En què es diferencia un supercondensador dels diferents tipus de bateries? La bateria és capaç de generar electricitat per si mateixa mitjançant una reacció química. El supercondensador només acumula l'energia alliberada.

On s'utilitza el supercondensador? Els condensadors de baixa capacitat s'utilitzen en unitats flash (totalment descarregades) i en qualsevol sistema que requereixi un gran nombre de cicles de descàrrega/càrrega.