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Inovação

SUPERCAPACITORES

As desvantagens das baterias de íon de lítio têm impulsionado os pesquisadores na busca por alternativas.

Os Supercapacitores estão destinados a substituí-los e impulsionar o nosso futuro?

As baterias de íon de lítio revolucionaram o mercado de eletrônicos portáteis e continuam sendo o tipo predominante de baterias recarregáveis em uso atualmente. Porém, uma categoria de dispositivos de armazenamento de energia chamados de supercapacitores esta sendo analisada pelos pesquisadores como uma grande promessa para alimentar o futuro.

Quando a Tesla comprou um pequeno fabricante de ultracapacitores chamado Maxwell Technologies em fevereiro de 2019 por US $ 218 milhões, o acordo recebeu pouca atenção na mídia geral. Mas no mundo do armazenamento de energia, as notícias chegaram como um raio, sinalizando que a Tesla pode estar olhando além das baterias de íon de lítio (Li-ion) para alimentar seus carros elétricos.

Desde que foram lançadas comercialmente pela Sony em 1991, as baterias de íon de lítio desfrutaram de uma corrida espetacular. Embora muitos esforços de pesquisa estejam em andamento para prolongar seu reinado, as baterias de íons de lítio sofrem de desvantagens que são especialmente difíceis para aplicações de transporte e têm se mostrado difíceis de resolver: levam horas para recarregar, só podem ser recarregadas um número limitado de vezes, são caras para reciclar e às vezes pegam fogo.

Os supercapacitores não sofrem dessas limitações. Esse amplo grupo de tecnologias inclui ultracapacitores, pseudo-supercapacitores e híbridos, cada um com uma estrutura diferente, mas todos se beneficiando de um aumento nos avanços da nanotecnologia, incluindo novas estruturas e materiais microscópicos que podem armazenar e descarregar energia de maneira mais rápida e segura do que as baterias de íon de lítio.

 

ARMAZENAMENTO DE CARGA

Os supercapacitores armazenam cargas positivas e negativas em diferentes compartimentos, separados por um isolador. Diferentemente das baterias, que devem converter energia em forma química e depois voltar, causando enfraquecimento ao longo do tempo, os supercapacitores armazenam energia eletrostaticamente. A energia pode ser absorvida ou descarregada instantaneamente, permitindo que os supercapacitores suportem ciclos quase ilimitados de carga e descarga.

A principal falha, no entanto, é que as reservas de energia dos supercapacitores se dissipam mais rapidamente do que as das baterias de íon de lítio.

“Em vez de levar horas para carregar o carro, pode levar apenas alguns minutos se você tiver uma largura de banda grande o suficiente para entrar em sua casa ou em uma estação de recarga”, Adam Schwartzberg, cientista da equipe da Molecular Foundry no Berkeley Lab em Berkeley, Califórnia , disse sobre supercapacitores. Essa inovação eliminaria um dos principais obstáculos à adoção generalizada de veículos elétricos: longos tempos de carregamento. O que também pode sugerir o motivo do interesse da Tesla em adquirir a Maxwell Technologies.

“Se você estacionar seu carro com uma bateria de íon de lítio e voltar algumas semanas depois, ainda estará boa”, disse Schwartzberg. “Mas com um supercapacitor, você pode voltar e ter um problema ao iniciar o carro.”

Liwei Lin, professor de engenharia mecânica da Universidade da Califórnia em Berkeley, tem colaborado com Schwartzberg em uma solução, que eles chamam de pseudo-supercapacitores. Eles empilham densamente nanotubos de carbono verticalmente em um pedaço de metal do tamanho de um selo postal chamado substrato. Usando um processo conhecido como deposição de camada atômica, eles revestem os nanotubos de carbono com nitreto de titânio, uma camada atômica de cada vez, alternando com camadas de átomos de oxigênio.

O processo cria um material idealmente condutor. Outro pedaço de metal do tamanho de um selo postal serve como suporte de livros para o capacitor, que pode descarregar três vezes mais energia do que outros supercapacitores e é menos provável que se descarregue automaticamente.

 

COMERCIALIZAÇÃO

A Tesla não é a única empresa automotiva que busca o potencial dos supercapacitores. A Lamborghini está trabalhando em supercapacitores com o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) como parte de seu projeto de supercarro Terzo Millennio, que contará com motores em cada uma das quatro rodas do veículo.

“Eles usam supercapacitores para aumentar o armazenamento de energia quando o carro está freando e, em seguida, fornecer uma onda de energia quando o carro está acelerando”, disse Patrick Le Fèvre, diretor de marketing e comunicação da Powerbox, uma das maiores fabricantes da Europa, com sede na Suécia. de sistemas de energia personalizados que incluem supercapacitores.

O veículo usa uma bateria de íon de lítio como sua principal fonte de energia, mas os primeiros protótipos indicam que a bateria está altamente integrada aos supercapacitores. Como o veículo é fabricado com uma grande quantidade de fibra de carbono, é extremamente leve. E ter supercapacitores para acionar motores sobre rodas diferentes o torna extremamente rápido.

Lin está certo de que os supercapacitores encontrarão muitos usos no setor comercial. “Os supercapacitores são usados ​​como parte dos sistemas de bateria em muitos tipos de dispositivos eletrônicos há anos para prolongar a vida útil da bateria e equilibrar o desempenho geral do sistema”, disse ele. “Qualquer aplicação que precise de alta densidade de energia precisará de supercapacitores, como lanternas e coletores de energia”.

Os coletores de energia são os mecanismos que recuperam energia em um veículo híbrido ou totalmente elétrico – assim como em certos setores não relacionados ao transporte – quando os freios são acionados, tornando o sistema geral muito mais eficiente em termos energéticos.

“Quando o carro é parado, a energia mecânica residual pode ser transformada em eletricidade”, disse Lin. “Será necessário um supercapacitor para armazenar isso, porque a densidade de energia das baterias é muito baixa; eles não podem absorver quantidades tão grandes de energia em tão pouco tempo.

 

OUTRAS APLICAÇÕES

O potencial comercial dos supercapacitores vai muito além dos automóveis.

Le Fèvre observou que os gigantes do transporte pela Internet, principalmente a Amazon, estão experimentando supercapacitores para ajudar a gerenciar os muitos quilômetros de transportadores usados ​​em seus armazéns. Os motores que acionam os transportadores são conectados a um sistema que inclui uma pequena bateria de íon de lítio e um supercapacitor.

“Quando eles param o transportador, a energia é coletada pelo supercapacitor”, disse Le Fèvre. Isso economiza energia e reduz custos.

No entanto, o Le Fèvre acredita que o maior uso único de supercapacitores será em redes de energia inteligentes. Cada vez mais, essas redes devem gerenciar picos de energia solar e eólica, que são imprevisíveis em termos de tempo e força.

“Você precisa estabilizar a grade”, disse Le Fèvre. “Quando o vento e a energia solar estão conectados à rede, eles criam muitos distúrbios. Você precisa de capacidade para absorver sobretensões e garantir que não haja distorção na grade. Cada vez mais, você usará supercapacitores para isso. ”

Os supercapacitores substituirão completamente as baterias de íon de lítio?

Serão necessárias muito mais pesquisas, especialmente para resolver a questão das perdas de energia. Como os supercapacitores ainda estão em um estágio embrionário, os analistas de mercado não conseguem nem concordar com o tamanho dos mercados em potencial.

Mas os envolvidos na pesquisa de supercapacitores acreditam que os rápidos avanços na nanotecnologia podem dar aos supercapacitores uma vantagem ao longo do tempo.

“O nível de pesquisa em supercapacitores é realmente impressionante e a lacuna [com Li-ion] está diminuindo”, disse Le Fèvre. “A rapidez com que isso acontecerá permanece desconhecida. Mas, considerando o número de patentes registradas, os documentos apresentados e os níveis de interesse do setor, não deve demorar muito. ”

 

O QUE É UM SUPERCAPACITOR?

Capacitores usam eletricidade estática em vez de química para armazenar energia. Eles contêm duas (ou mais) placas de metal condutoras com um material isolante e um dielétrico no meio que impede que as placas se toquem. Quando uma corrente elétrica entra no capacitor, o dielétrico interrompe o fluxo e uma carga se acumula. A carga é armazenada em um campo elétrico entre as placas e é descarregada quando conectada a um circuito externo. Um supercapacitor não possui um dielétrico entre as placas; em vez disso, possui um eletrólito e um isolador fino como papelão ou papel. Quando uma corrente é introduzida, os íons se acumulam para gerar uma dupla camada de carga. Os supercapacitores são limitados a baixas tensões, pois uma alta tensão quebraria o eletrólito, mas forneceria uma capacidade muito alta.

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