Mejores condensadores con nanotecnología

Tradicionalmente, los condensadores parecen baterías recargables realmente malas. Los supercondensadores han cambiado eso, lo que hace que sea práctico usar un condensador de carga rápida en lugar de baterías recargables. Sin embargo, los supercondensadores funcionan de manera diferente a los condensadores convencionales (dieléctricos). Utilizan un esquema electrostático para lograr una separación de carga muy cercana (incluso solo 0,3 nanómetros) o una pseudocapacidad electroquímica (o, a veces, una combinación de estos métodos).

En un condensador convencional, los dos electrodos están tan juntos como sea posible y tan grandes como sea posible porque la capacitancia aumenta con el área de la superficie y disminuye con la distancia entre las placas. Desafortunadamente, para el almacenamiento de energía de alta eficiencia, los condensadores (del tipo convencional) tienen un problema: se puede obtener una capacidad alta o un colapso alto, pero no ambos. Esto es intuitivo porque acercarse a las placas provoca una mayor capacitancia, pero también aumenta el dieléctrico, ya que el campo eléctrico dentro del capacitor aumenta tanto con el voltaje como con la distancia más cercana a las placas (el campo eléctrico, E, es igual al voltaje dividido por la placa espacio).

[Guowen Meng] y otros de varias universidades chinas y estadounidenses publicaron recientemente un artículo en la revista Science Advances que ofrece una forma de sortear este problema. Usando un electrodo de nanotubos de carbono 3D, pueden actualizar un capacitor dieléctrico para que funcione casi tan bien como un supercondensador (requieren una densidad de energía de 2Wh / kg en su dispositivo).

El condensador se forma en una membrana nanoporosa de óxido de aluminio anódico. Los poros no recorren todo el camino, sino que se detienen brevemente, formando una capa de barrera en la parte inferior de cada poro. Algunos de los poros atraviesan el material en una dirección y el resto en la otra dirección. Los investigadores depositaron nanotubos en los poros y estos tubos forman las placas del condensador (ver imagen a la derecha). El resultado es un condensador de alta capacidad (debido a la gran superficie) pero con una tensión de colapso mejorada gracias a las paredes porosas uniformes.

Para mejorar el rendimiento, los poros en el óxido de aluminio se forman de modo que un poro grande que apunta en una dirección esté rodeado por seis poros más pequeños que van en la otra dirección (ver imagen a la izquierda). En esta configuración, la capacitancia en una membrana de 1 micrón de espesor podría ser tan alta como 9,8 microfaradios por centímetro cuadrado.

En comparación, la mayoría de los condensadores convencionales de alta calidad son electrolíticos y utilizan dos placas diferentes: una lámina de metal y un electrolito semilíquido. Incluso puede hacer uno de estos en casa si lo desea (vea el video a continuación).

Hemos hablado de supercondensadores antes (incluso de los caseros), y esta tecnología podría mejorar incluso los dispositivos de capacidad. También hablamos sobre las supercápsulas de grafeno que puedes construir tú mismo con una grabadora de DVD.

Es asombroso pensar cómo la nueva tecnología, como los nanotubos de carbono, puede mejorar algo tan antiguo y simple como un condensador. Debe preguntarse qué otras mejoras vendrán, ya que entenderemos estos nuevos materiales aún mejor.

  • kleetus92 dice:

    Me atrevería a especular que una tecnología similar podría / se está / ya está siendo utilizada en baterías para áreas de mayor superficie.

    • Jack acostado dice:

      No estoy seguro de pensar que las baterías aún estén lo suficientemente bajas, aún podría estar equivocado https://www.youtube.com/watch?v=uI1eRy0uBI8

      • Cierto dice:

        A -> "Litio"

    • PWalsh dice:

      Aquí hay una infografía del documento que muestra dónde se encuentran en relación con los electrolíticos y las baterías:

      http://d3a5ak6v9sb99l.cloudfront.net/content/advances/1/9/e1500605/F5.large.jpg?download=true

      A diferencia de las baterías, los condensadores tienen una enorme densidad de POTENCIA, ya que pueden descargar todo el almacenamiento de energía en muy poco tiempo.

      Los condensadores tienen densidades de ENERGÍA bajas, en relación con las baterías, por lo que, aunque pueden disipar energía rápidamente, no la conservan mucho.

      El documento señala tensiones de colapso de aproximadamente 15 voltios, con una tensión de funcionamiento de aproximadamente 10 voltios. Un supercondensador con un voltaje de funcionamiento de 10 voltios tendría muchas aplicaciones en electrónica.

    • Greenaum dice:

      Las baterías no necesitan un área de superficie alta. Todo lo que haría una superficie más grande es permitir una reacción más química, por lo que podría dar más potencia durante un período de tiempo específico. Pero la cantidad de almacenamiento de energía se limita a cuántos de esos productos químicos hay y qué productos químicos en particular utiliza. Algunos productos químicos ofrecen una mejor densidad de energía que otros, el litio es el obvio.

      • daveboltman dice:

        +100 por esa comprensión

      • tekkieneet dice:

        Un área de superficie grande en una batería significa que su resistencia interna es menor, por lo que puede manejar corrientes más altas con pérdidas internas I ^ 2 * R mínimas. También le permite cargar la batería más rápido sin destruir la batería, por lo que si bien no aumenta la capacidad de la batería, sí ayuda al rendimiento y la eficiencia.
        .
        FYI: La alta resistencia interna es uno de los síntomas cuando una batería se vuelve inutilizable. Entonces, ¿tal vez el aumento en la superficie podría extender la vida útil?

        • Dax dice:

          Una gran superficie también produce la batería capaz de explotar como una bomba cuando se acorta internamente (aplastada, perforada), debido a la rápida liberación de energía.

        • tekkieneet dice:

          No hay garantías de que la batería con una superficie pequeña no explote cuando se aplaste / pinche. Es un modo fallido debido a la química.

  • steve dice:

    Cosas realmente interesantes. Me pregunto qué tan práctico es para una fabricación eficaz. Y, sin embargo, 2 Wh / kg, eso es realmente bajo para una batería, desafortunadamente.

  • Brett C dice:

    Creo que puede haber un error tipográfico en el 2wh / kg.
    Eso no suena muy poderoso. 2 KwH tal vez?

    • Tore Lund dice:

      Sin errores tipográficos. 2kWh / Kg sería asombroso, un tesla podría conducir 1500Mi con tales capacitores.

    • Al Williams dice:

      No lo creo. Eche un vistazo al enlace al gráfico en uno de los comentarios anteriores.

  • Un dron dice:

    ¡Incluso con tubos super-duper-nano, los condensadores chinos baratos seguirán explotando, filtrando y fallando!

    • RoboMonkey dice:

      cuando los fabricantes se basan en tolerancias tan estrictas, tiene razón. El problema es que están buscando ahorrar 5 centavos para un televisor y su fuente de alimentación sufre porque no filtra los transitorios tan bien como podría. ¡Todo el mundo saluda el omnipotente margen de beneficio!

    • tekkieneet dice:

      Durante mucho tiempo, los diseñadores de tableros también pusieron tapas en las áreas calientes del tablero. p.ej. ¿Cuántas veces ve que las tapas se colocan junto a los disipadores de calor de una fuente de energía que depende del enfriamiento convectivo (natural)?

      Por cierto, mi viejo televisor japonés tiene una tapa justo entre las aletas de un fregadero caliente en forma de U. Llevaban una gorra japonesa decente. Cuando murió, también la reemplacé por una gorra japonesa de buena calidad, pero eso duró solo unos años más.

  • Solenoide dice:

    Por favor, corrija 2WH / kg -> 2Wh / kg, nada más enfurece a esas unidades sin sentido (¿Watt-Henry?).

    • Solenoide dice:

      * ol

      ... y danos botones de edición para errores personalizados.

    • Al Williams dice:

      UPS.

    • Tore Lund dice:

      Wh / Kg (vatios hora) es una medida muy común para la densidad de energía de la batería y suena bien. Aproximadamente el 1% de las baterías de iones de litio.

      • notmyfault2000 dice:

        Su queja es que la unidad representada por "H"! = La unidad representada por `h`.

  • Andreas dice:

    Un concepto interesante, pero me parece que la fabricación de tales condensadores es extremadamente difícil y elevaría el precio del producto mucho más que la tecnología actual. Y además de la fabricación de la pieza en sí, ¿qué tan confiables son estas delicadas estructuras si aplica algunos procesos de soldadura y tiene estrés mecánico y térmico en los productos terminados?

  • ratshit dice:

    un condensador podría usarse como una "lectura eliminada", supongo. usando la electricidad estática para hacer un disco.

    • Greenaum dice:

      ¡Los condensadores SE utilizan como RAM! Y sí, el voltaje se desvanece rápidamente, generalmente en una fracción de segundo. Es por eso que DRAM (RAM dinámica) necesita refrescarse, llenando constantemente los capacitores. No utilizan condensadores reales, así como la capacitancia inherente a un transistor. La alternativa es SRAM, una RAM estática que usa un flip-flop para cada bit, por lo que puede almacenar datos siempre que haya energía y no necesite un circuito de actualización. La desventaja es que SRAM necesita (creo) 6 transistores por bit, donde DRAM solo necesita 1. Por lo tanto, SRAM es más caro y menos caro. Históricamente, SRAM ha sido más rápido, sin embargo, la memoria caché de RAM externa en las primeras computadoras que a menudo la tenían (algunos de los modelos 80386 más caros), por ejemplo, era de 32K o 64K de SRAM, con la RAM principal de unos pocos megabytes de DRAM. .

      Uno de los primeros procesadores, el Z80, tenía la ventaja de un circuito de actualización incorporado (y un registro, R, para rastrearlo), por lo que no tuvo que molestarse en implementar los circuitos. Creo que en las computadoras modernas es tarea del Northbridge en el circuito base.

    • tekkieneet dice:

      Algunas de las tecnologías más antiguas (por ejemplo, los procesadores de la era NMOS) utilizan lógica dinámica. El regalo muerto es que la frecuencia mínima de reloj no es 0 MHz, por lo que no se puede detener un reloj.

      • Greenaum dice:

        Sí, nuestra Jeri hizo un video sobre el tema, apareció aquí hace unos años. Resumen: es extraño.

  • Zebby dice:

    Lika. ¿Siguen goteando? ¿También están trabajando en inductores proporcionales?

  • Dax dice:

    "Tradicionalmente, los condensadores parecen baterías recargables realmente malas".

    Y las baterías recargables parecen condensadores realmente malos.

    Intente crear un filtro de paso bajo con una celda de litio como si fuera un condensador, y verá el sentido.

    • neófilo dice:

      No están diciendo que los condensadores sean peores que las baterías, solo que no funcionan bien como baterías. De manera similar, un servidor blade de $ 5,000 es una mala computadora para juegos porque no tiene una GPU, incluso si en general es una computadora más poderosa.

Fernando Román
Fernando Román

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