Ultracondensador de estado sólido de una sola capa

Densidad de potencia de los ultracondensadores de estado sólido

Un reciente avance en los dispositivos de almacenamiento de energía de una sola capa en estado sólido (SSESD) ofrece una solución. El SSESD incorpora un dieléctrico de alta permitividad con una constante dieléctrica del orden de 16 millones.

Un dieléctrico es cualquier aislante eléctrico capaz de ser polarizado por un campo eléctrico. Bajo la influencia de un campo eléctrico, la distribución de la carga en el dieléctrico cambia de manera que las cargas positivas se alinean con el campo. Los tres mecanismos principales de polarización son:

  • Polarización iónica en la que los iones positivos fluyen con el campo y los iones negativos fluyen en contra del campo
  • Polarización orientativa cuando el dieléctrico contiene materiales con un momento dipolar permanente, es decir, las moléculas tienen una distribución de carga desigual
  • Polarización de la interfaz, en la que las cargas móviles libres dentro del material migran a la interfaz dieléctrica/electrodo; las cargas positivas se mueven hacia el electrodo negativo y las cargas positivas hacia el electrodo negativo.

En su forma más simple, un condensador consiste en una capa dieléctrica intercalada entre dos conductores. La aplicación de una tensión a través de los conductores crea un campo eléctrico. La constante dieléctrica o permitividad (K) del dieléctrico es la relación entre el campo sin el dieléctrico (Eo) y el campo con el dieléctrico (E).

K = Eo/E

En el condensador monocapa descrito, cuando se aplica una tensión (V) a través de los conductores, se induce una carga (Q) en el condensador. La relación entre la tensión y la carga se define como la capacidad (C) del condensador.  

C = Q/V

La cantidad de carga almacenada depende del área (A) de los conductores, la separación (d) entre ellos y la constante dieléctrica.

 
C = K(A/d)

Así, para condensadores de idénticas dimensiones, cuanto mayor sea el valor de K, mayor será la cantidad de carga que se puede almacenar.

La energía eléctrica potencial(E) almacenada en un condensador cargado es función de la capacitancia(C), la tensión(V) a través de los electrodos. Equivale al trabajo realizado al cargarlo y puede expresarse mediante:

E = ½ CV2

El trabajo experimental de los últimos dos años ha consistido en tres pasos.

El primer paso se centró en el desarrollo de cerámicas de condensadores a granel con alta capacitancia para ser utilizadas como materiales de referencia. En contraste con la tecnología de Eestor, que tiene una constante dieléctrica baja muy básica de 18.000 frente a nuestro último hito de 20 millones.

El segundo paso se centró en el desarrollo de cerámicas de alta superficie con mayor capacidad de almacenamiento de carga.

El tercer paso se centrará en el desarrollo de películas dieléctricas sobre sustrato metálico con buena adherencia al sustrato metálico y que no posean picaduras o discontinuidades responsables de la disminución de la capacitancia. 

El polvo se prensó y se coció a varias temperaturas para producir muestras densas no porosas. A continuación, las muestras se electrocutaron y se sometieron a pruebas de capacitancia (C), constante dieléctrica (K), pérdida dieléctrica (pérdida tan) y coeficiente de temperatura de capacitancia (TCC).

 

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