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.
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.
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.
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
