Cimento, Carbono Negro, Eletrólitos e Água Formam Receita Simples para Novo Supercapacitor Versátil

If recent developments involving material science pan out, our world will look like a much different place in only a few years.  Over the past week, there is not only a lengthening list of scientists attempting to recreate and prove the validity of recent claims surrounding a potential room-temperature, ambient-pressure superconductor being called ‘LK-99’, but the Massachusetts Institute of Technology (MIT) also announced an descoberta interessante of its own.  This would be a cost-effective supercapacitor made from non-exotic materials.

O que é um Capacitor?

Capacitores são dispositivos que armazenam energia elétrica acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica entre duas placas condutoras separadas por um isolante ou dielétrico.

O que Torna um Capacitor ‘Super’?

• Capacidade de Armazenamento: Supercapacitores podem armazenar uma quantidade muito maior de carga elétrica em comparação com capacitores padrão. Isso se deve à alta área de superfície dos eletrodos e à distância extremamente fina entre eles, o que permite armazenar mais carga.
• Densidade de Energia e Potência: Enquanto os capacitores geralmente têm uma densidade de potência mais alta (podem entregar energia rapidamente) mas densidade de energia mais baixa (armazenam menos energia), os supercapacitores preenchem a lacuna entre capacitores e baterias ao possuir tanto alta densidade de potência quanto uma densidade de energia relativamente alta.
• Construção: Supercapacitores costumam usar materiais e métodos de construção diferentes. Eles tipicamente utilizam materiais de carbono poroso para os eletrodos, que fornecem uma grande área de superfície, e um eletrólito que permite o movimento de íons. A grande área de superfície e a construção especial permitem que o supercapacitor armazene mais energia.
• Taxas de Carga e Descarga: Supercapacitores podem ser carregados e descarregados muito mais rapidamente que baterias, e podem suportar muito mais ciclos de carga e descarga sem degradação significativa. Enquanto capacitores padrão também carregam e descarregam rapidamente, os supercapacitores podem manter a carga por mais tempo devido à sua maior capacidade de armazenamento.

Em resumo, embora capacitores padrão e supercapacitores operem sob o mesmo princípio básico de armazenar energia em um campo elétrico, os supercapacitores se distinguem por sua capacidade de armazenamento muito maior, materiais de construção diferentes e sua capacidade de combinar as características de ambos, capacitores e baterias.

Onde os Supercapacitores São Usados?

• Veículos Elétricos (EVs): Supercapacitores podem fornecer os rápidos surtos de energia necessários para aceleração e também capturar energia durante frenagem regenerativa, melhorando a eficiência geral do veículo.
• Transporte Público: Em ônibus e bondes, supercapacitores podem ser usados para armazenar energia rapidamente durante paradas breves e então fornecer a energia necessária para aceleração, reduzindo a carga sobre a fonte principal de energia.
• Sistemas de Energia Renovável: Supercapacitores podem armazenar energia de fontes renováveis como solar e eólica, liberando-a quando necessário. Isso ajuda a suavizar as flutuações no fornecimento de energia quando o sol e o vento são escassos.
• Fontes de Energia Ininterruptas (UPS): Em sistemas que requerem fornecimento contínuo de energia, supercapacitores podem fornecer energia temporária durante curtos apagões ou até que geradores de backup entrem em operação.
• Eletrônicos de Consumo: Em alguns dispositivos, supercapacitores podem fornecer os rápidos surtos de energia necessários para certas funções, como fotografia com flash em câmeras e instalações de áudio automotivo de alta qualidade.
• Dispositivos Médicos: Supercapacitores podem ser usados em dispositivos médicos como desfibriladores, que requerem entrega de energia confiável e instantânea.
• Equipamentos Industriais: Em ambientes industriais, supercapacitores podem fornecer a alta potência necessária por curtos períodos em várias máquinas e ferramentas.
• Estabilização da Rede: Supercapacitores podem ser usados na rede elétrica para fornecer resposta rápida a mudanças na demanda ou oferta, ajudando a estabilizar a rede e prevenir flutuações.
• Dispositivos de Comunicação Sem Fio: Eles podem ser usados para fornecer a energia necessária para transmissão de sinais, especialmente em locais remotos ou de difícil acesso onde a substituição de baterias é desafiadora.
• Aplicações de Smart Grid e Microgrid: Supercapacitores podem fazer parte de sistemas inteligentes de gerenciamento de energia, ajudando a equilibrar cargas e armazenar energia localmente para uso mais eficiente.
• Aeroespacial e Defesa: Em aplicações aeroespaciais, supercapacitores podem fornecer energia confiável para sistemas críticos que exigem alta confiabilidade e desempenho.

No geral, a versatilidade, alta densidade de potência e capacidades de carga/descarga rápidas dos supercapacitores os tornam adequados para uma ampla gama de aplicações onde tanto o armazenamento de energia quanto a liberação rápida de energia são necessários. Como pode ser visto na lista acima, os supercapacitores já são usados em uma infinidade de indústrias. Assim, a recente descoberta feita pelo MIT é particularmente intrigante devido ao seu potencial de avançar tantas implementações diferentes.

Uma Nova Receita

De acordo com o MIT, os pesquisadores envolvidos nessa descoberta desenvolveram o método para produzir um material à base de cimento com alta área de superfície interna ao introduzir carbono negro em uma mistura de concreto. O material resultante, quando imerso em um eletrólito padrão como cloreto de potássio, forma um supercapacitor poderoso. Notavelmente, a quantidade de carbono necessária é mínima, o que torna o processo barato e facilmente reproduzível.

Ao criar um supercapacitor, é importante lembrar que seu desempenho depende em grande parte da área de superfície interna de suas placas condutoras.  MIT states that,

“A chave para os novos supercapacitores desenvolvidos por esta equipe provém de um método de produção de um material à base de cimento com uma área de superfície interna extremamente alta devido a uma rede densa e interconectada de material condutor dentro de seu volume maciço.”

O que é fundamental nessa descoberta, porém, é que ela foi alcançada com materiais tão comuns, encontrados a baixo custo ao redor do mundo – tornando-a uma tecnologia extremamente acessível.

Onde essa descoberta se torna interessante é ao considerar suas potenciais aplicações futuras na estabilização de redes e demandas de energia. A equipe descreve uma implementação em que a fundação de uma casa é feita com o material. Não só o material pode ser tão robusto quanto o cimento normal, mas a fundação de uma casa teria capacitância suficiente para fornecer energia por um dia inteiro. Isso poderia ser utilizado durante apagões, em horários de pico ou em circunstâncias semelhantes.

Também é útil para residências que utilizam energia renovável, onde o suprimento não é constante. Durante períodos de produção excessiva, a energia armazenada na fundação poderia ser recarregada, enquanto em períodos de escassez de energia, poderia ser utilizada. Outras implementações incluem tecnologia de carregamento sem fio, atendendo comunidades e residências desconectadas das redes elétricas tradicionais, entre outras.

Palavra Final

A importância de um supercapacitor à base de cimento é enorme, dado a propensão humana para construir com esse material.  Overall, the team believes that its,

“…o design de materiais de compósitos porosos de carbono-cimento fornece uma solução material escalável para armazenamento de energia, apoiando a transição urgente dos combustíveis fósseis para energias renováveis.”

Não só seria facilmente acessível, como poderia ser implementado de forma relativamente simples tanto em projetos de pequena quanto de grande escala.