Cimento, negro de fumo, eletrólito e água formam um novo supercapacitor versátil

A pesquisa de materiais pode transformar a tecnologia energética. No início de agosto de 2023, pesquisadores tentavam reproduzir as alegações de supercondutividade do LK-99 à temperatura ambiente e pressão normal; elas ainda não estavam confirmadas. Ao mesmo tempo, o Massachusetts Institute of Technology (MIT) apresentou sua própria descoberta interessante: um supercapacitor feito de materiais comuns e baratos.

O que é um Capacitor?

Um capacitor armazena energia elétrica separando cargas opostas em dois eletrodos condutores. Em um capacitor convencional, os eletrodos são separados por um isolante, ou dielétrico, e a energia fica armazenada no campo elétrico.

O que torna um capacitor “super”?

Um supercapacitor, também chamado de ultracapacitor, tem capacitância muito elevada. O capacitor de dupla camada elétrica é um tipo de supercapacitor. Veja algumas diferenças importantes em relação aos capacitores convencionais.

• Capacidade de Armazenamento: Supercapacitores podem armazenar muito mais carga elétrica que capacitores convencionais. Em um capacitor de dupla camada elétrica, a grande área interna dos eletrodos e a pequena distância entre a superfície do eletrodo e a camada de íons do eletrólito permitem uma capacitância elevada.
• Densidade de Energia e Potência: Capacitores geralmente fornecem energia rapidamente, mas armazenam menos que baterias. Supercapacitores ocupam uma posição intermediária: sua densidade de energia supera a dos capacitores convencionais, mas costuma ser menor que a das baterias, enquanto a densidade de potência é alta.
• Construção: Os eletrodos frequentemente utilizam carbono poroso, que oferece grande área interna, junto de um eletrólito que permite a movimentação dos íons. Essa estrutura aumenta a capacitância e a energia armazenada.
• Taxas de Carga e Descarga: Supercapacitores geralmente carregam e descarregam mais rapidamente que baterias e suportam muitos ciclos. Uma capacitância elevada, porém, não garante que a carga seja mantida por mais tempo: a autodescarga e a corrente de fuga também influenciam a retenção.

Capacitores convencionais e supercapacitores de dupla camada armazenam energia pela separação de cargas elétricas. Os supercapacitores se destacam pela alta capacitância, pelos materiais dos eletrodos e pela combinação de entrega rápida de potência com armazenamento maior que o dos capacitores convencionais.

Onde os Supercapacitores São Usados?

Supercapacitores são especialmente úteis quando é preciso fornecer potência rapidamente e realizar cargas repetidas. Estes são alguns exemplos de aplicações existentes ou possíveis:

• Veículos Elétricos (EVs): Podem fornecer pulsos de potência para aceleração e recuperar energia na frenagem regenerativa, melhorando a eficiência do veículo.
• Transporte Público: Em ônibus e bondes, podem armazenar energia rapidamente durante paradas curtas e utilizá-la na aceleração, reduzindo os picos de demanda sobre a alimentação principal.
• Sistemas de Energia Renovável: Podem suavizar variações rápidas da geração solar e eólica. Supercapacitores convencionais são especialmente úteis para compensações de curta duração; armazenar energia por longos períodos exige capacidade suficiente.
• Alimentação ininterrupta (UPS): Podem manter temporariamente a alimentação durante interrupções curtas ou até a partida dos geradores de reserva.
• Eletrônicos de Consumo: Podem sustentar pulsos de potência em equipamentos eletrônicos e picos de carga em sistemas de som automotivo. Flashes de câmeras também utilizam capacitores convencionais de alta tensão para armazenar o pulso de energia.
• Dispositivos Médicos: Supercapacitores podem apoiar a alimentação de dispositivos médicos. O pulso de alta tensão de um desfibrilador normalmente utiliza capacitores de pulso específicos, como os de filme.
• Equipamentos Industriais: Em ambientes industriais, supercapacitores podem fornecer a alta potência necessária por curtos períodos em várias máquinas e ferramentas.
• Estabilização da Rede: Podem responder rapidamente a mudanças na demanda ou geração e ajudar a estabilizar a rede elétrica.
• Dispositivos de Comunicação Sem Fio: Podem fornecer pulsos de potência para transmissão de sinais, por exemplo em sensores remotos ou instalações de difícil acesso.
• Redes inteligentes e microrredes: Podem integrar sistemas locais de gerenciamento de energia, equilibrando cargas e armazenando energia para um uso mais eficiente.
• Aeroespacial e Defesa: Em sistemas aeroespaciais e de defesa adequados, podem apoiar a alimentação de equipamentos críticos e atender a demandas rápidas de potência.

Versatilidade, alta densidade de potência e carga e descarga rápidas tornam os supercapacitores úteis em diversos setores. A lista inclui aplicações estabelecidas e possibilidades que dependem do projeto. A pesquisa do MIT é interessante por abrir caminho para grandes sistemas de armazenamento com materiais conhecidos.

Uma Nova Receita

Os pesquisadores do MIT desenvolveram um material de eletrodo à base de cimento com grande área interna, acrescentando negro de fumo, um pó fino de carbono conhecido como carbon black. O material é saturado com um eletrólito, como solução de cloreto de potássio. Dois desses eletrodos com um separador entre eles formam um supercapacitor. A quantidade de carbono pode ser relativamente pequena, e as matérias-primas são baratas e amplamente disponíveis.

A capacitância depende muito da área interna do material condutor. O MIT descreveu o ponto central assim:

“A chave para os supercapacitores desenvolvidos pela equipe é um método que produz um material à base de cimento com enorme área interna, graças a uma rede densa e interconectada de material condutor.”

A vantagem é utilizar materiais comuns e disponíveis a baixo custo em muitas regiões do mundo, oferecendo a possibilidade de armazenamento acessível e escalável.

Uma aplicação imaginada pelos pesquisadores é integrar o armazenamento à fundação de uma casa para equilibrar geração e consumo. A equipe estimou que aproximadamente 45 metros cúbicos do material poderiam armazenar cerca de 10 quilowatts-hora, valor usado no estudo como exemplo do consumo diário de uma residência. Era uma estimativa de escala derivada de resultados de laboratório, não uma fundação já construída. Há um equilíbrio entre armazenamento e resistência mecânica, e a mistura precisa atender aos requisitos estruturais. A energia poderia ser utilizada em apagões ou horários de pico.

Esse armazenamento também poderia apoiar residências com geração solar ou eólica: seria carregado nos períodos de produção excedente e utilizado quando a geração caísse. Outras possibilidades descritas pelos pesquisadores incluem vias com carregamento sem fio de veículos elétricos e sistemas para casas e comunidades fora da rede elétrica convencional.

Considerações finais

Um supercapacitor à base de cimento pode ser importante porque esse material é amplamente usado na construção. A equipe descreveu seu objetivo assim:

“…o projeto de compósitos porosos de carbono e cimento oferece uma solução escalável de armazenamento de energia para apoiar a transição urgente dos combustíveis fósseis para fontes renováveis.”

A disponibilidade das matérias-primas e a possibilidade de aumentar o tamanho do armazenamento tornam a solução interessante para projetos pequenos e grandes. As instalações práticas precisam demonstrar que armazenamento de energia e desempenho estrutural funcionam juntos na escala desejada.