Supercondensador vs batería

Existe un largo debate de que los supercondensadores anularán el mercado de las baterías en el futuro. Hace unos años, cuando se pusieron a disposición los supercondensadores, hubo un gran revuelo al respecto y muchos esperaban que reemplazara las baterías en productos electrónicos comerciales e incluso en vehículos eléctricos. Pero, en realidad, no sucedió nada de eso, porque tanto los supercondensadores como las baterías son completamente diferentes entre sí y tienen sus propias aplicaciones.

Dato curioso: casi todos los controladores de airbag modernos funcionan con supercondensadores, debido a su rápido tiempo de respuesta con respecto a las baterías.

En comparación con la batería, el supercondensador o ultracondensador es una fuente de energía de alta densidad o almacenamiento con una gran capacidad durante un período de tiempo corto. En este artículo, analizaremos Supercapacitor vs Battery (Lithium / Lead Acid) en varios parámetros y concluiremos con un estudio de caso para que un ingeniero comprenda dónde se podría seleccionar un supercondensador sobre una batería para sus aplicaciones. Si es un novato en los supercondensadores, se recomienda encarecidamente que aprenda los conceptos básicos de los supercondensadores antes de continuar.

Densidad de poder

Los supercondensadores tienen una alta densidad de potencia que la misma batería nominal. Aunque existen diferentes tipos de baterías en el mercado, por ejemplo, las baterías de iones de litio, polímeros y plomo-ácido tienen una densidad de potencia diferente, desde 1000 Wh por kg hasta 2000 Wh por kg. Las calificaciones también pueden variar mucho según el proceso de fabricación. La tabla de comparación a continuación muestra la densidad de potencia del supercondensador frente a la batería.

Pero, para un supercondensador, la densidad de potencia varía de 2500 Wh por kg a 45000 Wh por kg. Eso es mucho más grande que la densidad de potencia de las mismas baterías clasificadas.

Debido a la alta densidad de potencia, un supercondensador es una fuente de energía útil donde se requiere una corriente máxima mayor.

Voltaje de celda

En diferentes tipos de aplicaciones, a menudo el voltaje de entrada es un factor importante. Obviamente, existen diferentes tipos de reguladores de voltaje disponibles en el mercado, pero aún así, el voltaje de entrada a través de un regulador se convirtió en una parte importante de la aplicación. La siguiente figura muestra el voltaje de salida del supercondensador frente a la batería para el mismo número de celdas.

Por ejemplo, una aplicación con un regulador de voltaje lineal como el 7812 requiere al menos una entrada de 15V. Una batería de litio de celda única proporciona 3,2 voltios en la condición de carga más baja y 4,2 voltios en la condición de carga más alta. Por lo tanto, para compensar con la especificación de voltaje de entrada, se requieren al menos 5 baterías en conexión en serie, pero el supercondensador podría proporcionar una salida de 2.5 voltios a 5.5 voltios. Los supercondensadores tienen un voltaje de celda alto de 5,5 V en comparación con los 3,7 V de una batería de litio típica. Por lo tanto, ignorando otras limitaciones de un supercondensador, el diseñador de circuitos puede elegir tres supercondensadores de 5,5 voltios en serie. Sobre la batería, este es sin duda un punto a favor de los supercondensadores en situaciones de limitaciones de espacio o optimización de costos para fines.

Eficiencia

En términos de eficiencia, los supercondensadores son un 95% más eficientes que las baterías, que son 60-80% eficientes en condiciones de carga completa. Las baterías en carga alta disipan el calor que contribuye a una baja eficiencia. Además, la temperatura de la batería y otros parámetros deben monitorearse durante la carga y descarga mediante un sistema de administración de baterías (BMS), mientras que en los supercondensadores pueden no ser necesarios sistemas de monitoreo tan estrictos. La eficiencia del ultracondensador frente a la batería se muestra en la siguiente figura. Sin embargo, cabe señalar que el supercondensador también genera calor nominal durante el funcionamiento.

Reutilización y vida útil

La vida útil de la batería depende en gran medida de los ciclos de carga y descarga. En el caso de las baterías de litio y plomo-ácido, los tiempos de carga y descarga están limitados de 300 a 500 ciclos, a veces puede ser un máximo de 1000 veces. La vida útil sin la situación de carga y descarga de las baterías de litio puede durar un lapso de 7 años.

Un supercondensador casi tiene ciclos de carga infinitos, se puede cargar y descargar una gran cantidad de veces; puede ser de 1 lakh a 1 millón de tiempo. La vida útil de un supercondensador también es alta. Un supercondensador puede durar entre 10 y 18 años, mientras que una batería de plomo-ácido puede durar entre 3 y 5 años solamente.

Factor de voltaje de descarga

Una batería proporciona un voltaje de salida relativamente constante. Pero el voltaje de salida de un supercondensador disminuye durante las condiciones de descarga. Por lo tanto, al usar baterías como fuente de energía, se puede usar un regulador reductor o de refuerzo según los requisitos de la aplicación, pero al usar un supercondensador, es una opción popular usar un convertidor de refuerzo de amplio rango para compensar la pérdida de voltaje de entrada.

Tiempo de carga

Las diferentes baterías utilizan diferentes algoritmos de carga. Para cargar baterías de iones de litio se utilizan cargadores de carga de voltaje constante y corriente constante. El cargador debe configurarse especialmente para detectar el estado de carga de la batería y la temperatura. Para el caso de las baterías de plomo-ácido se utiliza el método de carga lenta.

En general, para cargar las baterías independientemente de las de iones de litio o de plomo-ácido, se necesitan horas para cargarlas por completo. El supercondensador tiene un tiempo de carga muy rápido; necesita un período de tiempo muy corto para obtener una carga completa. Por lo tanto, para las aplicaciones donde se requiere que el tiempo de carga sea muy menor, los supercondensadores definitivamente ganan la misma capacidad de las baterías.

Costo

El costo es un parámetro importante para los problemas relacionados con el diseño de productos. Los supercondensadores son una alternativa costosa cuando se usan en lugar de baterías. El costo a veces se vuelve muy alto, como 10 veces mayor en comparación con la misma capacidad de la batería.

Factores de riesgo

Las baterías de litio o de plomo-ácido requieren un cuidado o atención especial durante las condiciones de funcionamiento o carga. Especialmente para las baterías de iones de litio, la topología de carga debe configurarse de tal manera que la batería no se sobrecargue ni se cargue con una capacidad de corriente superior a la que realmente puede aceptar. Esto aumenta el riesgo de explosión cuando la batería se sobrecarga o se carga con una corriente alta.

No solo en condiciones de carga, sino que las baterías también deben operarse con cuidado durante situaciones de descarga. La condición de descarga profunda podría dañar potencialmente la vida útil de la batería. Por lo tanto, la batería debe desconectarse de la carga después de alcanzar un cierto nivel de estado de carga. Además, el cortocircuito de una batería es una situación peligrosa.

Los supercondensadores son más seguros que las baterías en términos de los factores de riesgo anteriores. Sin embargo, cargar un supercondensador con un voltaje más alto que su clasificación es potencialmente dañino para los supercondensadores. Pero, al cargar más de un condensador, puede convertirse en un trabajo complejo.

Caso de estudio

Consideremos una situación en la que queremos encender 10 LED en paralelo durante 1 hora. Para esta aplicación, averigüemos, como ingeniero, ¿deberíamos considerar usar un supercondensador o una batería de litio?

Supongamos que los LED consumen 30 mA de corriente a 2,5 V. Por lo tanto, la potencia de 10 LED en paralelo será

2,5 V x 0,03 x 10 = 0,75 vatios

Ahora, para 1 hora de uso que son 3600 segundos, la energía requerida se puede calcular como

3600 x 0,75 = 2700 julios.

Si consideramos un supercondensador 10F 2.5V, puede almacenar E = 1 / 2CV ² que es

½ x 10 x 2,5 ² = 31,25 Julios

Por lo tanto, se necesitan al menos 85 supercondensadores en paralelo con la misma clasificación. Obviamente, en esta aplicación específica, la batería será la primera opción. Pero si esta aplicación cambia a una aplicación específica en la que se requiere la misma cantidad de energía solo durante 30 segundos, el supercondensador puede ser una opción, ya que se puede cargar muy rápido y se puede utilizar durante un período de tiempo muy largo.

Conclusión

La comparación anterior solo se realiza entre baterías específicas (litio o plomo ácido) con supercondensadores. Sin embargo, existen diferentes baterías con diferentes composiciones químicas. Por otro lado, también existen diferentes supercondensadores con diferentes composiciones químicas como un supercondensador electrolítico acuoso o con un supercondensador líquido iónico así como supercondensadores electrolíticos híbridos y orgánicos también en el mercado. Las diferentes composiciones tienen diferentes características de trabajo y especificaciones.

Los supercondensadores tienen muchos más puntos positivos en términos de aplicación que las baterías. Pero también tiene aspectos negativos en comparación con las baterías. Por lo tanto, los usos de supercondensadores dependen en gran medida del tipo de aplicación.