Nova Compreensão dos Supercapacitores Pode Revolucionar os Padrões de Carregamento

A nova compreensão dos supercapacitores pode ajudar a tornar possível carregar seu telefone ou veículo elétrico em segundos. Esta semana, pesquisadores da CU Boulder publicaram um estudo na Proceedings of the National Academy of Science sobre a dinâmica da transferência de íons via carregamento por camada dupla elétrica (EDL) porosa, que tem o potencial de revolucionar o mercado de supercapacitores. Veja o que você precisa saber.

O que são Supercapacitores?

Capacitores são um componente crucial da eletrônica atual. Esses dispositivos armazenam energia eletrostática em um campo elétrico ao invés de criar energia via métodos químicos como as baterias tradicionais. Como tal, eles têm características únicas que os tornam ideais quando são necessários potência de pulso extremamente alta e capacitância.

Supercapacitores vs Baterias

Supercapacitores e baterias ambos armazenam energia, mas de maneiras muito diferentes. As baterias mais comuns armazenam energia usando reações químicas. Esse método é ideal para necessidades de energia a longo prazo, mas tem sérias desvantagens, como tempos de carregamento longos e peso. Supercapacitores adicionam capacitância, o que os torna o sistema ideal para fornecer explosões de energia quando necessário.

Como os supercapacitores armazenam energia por meio de carga estática ao invés de uma reação eletroquímica, eles podem ser feitos mais leves. Na maioria das vezes, são usados para complementar circuitos DC e podem ser encontrados em muitos eletrônicos comuns.

Como os Supercapacitores Funcionam?

Supercapacitores acumulam carga ao aprisionar íons em poros. Esse método de carregamento permite que um supercapacitor carregue completamente em segundos. Até recentemente, esse método de armazenar eletricidade era limitado em termos de camadas e poros. No entanto, é precisamente esse método de carregamento único que chamou a atenção do engenheiro bioquímico Ankur Gupta e sua equipe.

Encontro de Campos Científicos

Gupta e sua equipe de pesquisadores analisaram dados obtidos ao estudar o fluxo através de materiais porosos e os aplicaram aos supercapacitores. Na maioria das vezes, essa ciência foi aplicada a dispositivos não eletrônicos, como sistemas de filtragem de água. Notavelmente, Gupta percebeu que sua expertise poderia ser usada também em eletrônica. Seus resultados revelaram que os métodos de carregamento por camada dupla elétrica (EDL) poderiam ser aprimorados usando seu modelo para criar dispositivos de armazenamento de energia mais eficientes, incluindo baterias que podem carregar em segundos.

Detalhes do Estudo

Os pesquisadores começaram revisando como a conectividade dos poros e a polidispersidade afetam o carregamento em termos de eficiência e capacidade. Para realizar essa tarefa, criaram novas formas de prever o movimento do eletrólito através de poros multilayer organizados em estruturas complexas.

Novo Modelo Melhora o Planejamento de Engenheiros

O modelo simulou milhares de poros interconectados empilhados em camadas e monitorou o movimento dos íons. Adicionar mais camadas desses sistemas provou ser uma maneira eficaz de possibilitar maiores capacidades de captura de energia. A chave é criar uma estrutura que permita o máximo de íons serem aprisionados sem causar um entupimento completo.

Notavelmente, os pesquisadores determinaram que maximizar a área de superfície poderia melhorar o desempenho e as capacidades de armazenamento. Como tal, eles adicionaram profundidade às suas simulações. Seu modelo permite que engenheiros prevejam as relações estrutura-propriedade e como elas afetam a transferência de energia com precisão nesses filtros complexos de múltiplas camadas. Os dados foram então cruzados para determinar os métodos mais eficientes de gerar e descarregar energia quando necessário.

Resultados do Estudo

O estudo permitiu que os pesquisadores criassem modelos e testassem resultados muito mais rapidamente do que os métodos anteriores. Especificamente, os resultados foram maximizados em uma rede triangular de cinco mil poros, que levou 6 minutos para ser concluída. No futuro, eles esperam simular o limite de Debye–Hückel sem restrições na espessura da EDL e nos raios dos poros.

Lei de Kirchhoff

Os pesquisadores observaram que conceberam a ideia após modificar a Lei de Kirchhoff. O físico alemão Gustav Kirchhoff criou duas leis que regem o comportamento da eletricidade em 1845, chamadas Lei de Tensão e Lei de Corrente de Kirchhoff. Essas leis são usadas até hoje para determinar a resistência em redes complexas.

Aplicações Reais dos Supercapacitores

Supercapacitores têm muitas aplicações no mundo real que abrangem diversas indústrias. Você pode encontrar esses dispositivos úteis usados para amortecer sistemas, alimentar veículos e muito mais. Aqui estão os usos mais comuns dos supercapacitores hoje.

Proteção de Memória e Backup Interno de Bateria

Um dos usos mais populares dos supercapacitores hoje é a proteção de memória e suporte de backup de bateria. Supercapacitores são idealmente adequados para essa tarefa, pois são leves, menores que baterias, confiáveis e não requerem manutenção. Como tal, esses dispositivos são encontrados na maioria dos eletrônicos DC hoje.

Supercapacitores podem fornecer backup de memória confiável devido à sua capacidade de suportar altas cargas de energia rapidamente. Essa capacidade os torna ideais em desligamentos inesperados ou outros cenários de perda de energia. Nesses cenários, é comum que esses dispositivos enviem o cache para a memória flash, salvando seu progresso nos segundos críticos durante a perda de energia.

Buffer de Energia

Outro uso muito comum dos supercapacitores é fornecer um buffer para sistemas de alta intensidade. Supercapacitores oferecem a solução perfeita quando um impulso de energia é necessário. Essa capacidade permite que essas unidades suavizem as flutuações de energia para garantir uma entrega de energia estável.

O buffer de energia em eletrônicos é popular e os supercapacitores são a forma mais comum de fazer esses dispositivos funcionarem suavemente. Esses dispositivos fornecem a densidade de energia e capacidade de entrega necessárias para injetar energia quando o sistema requer, sem a necessidade de sistemas adicionais. Como tal, você pode encontrar supercapacitores auxiliando no controle de tração, impulsos de velocidade e outras tarefas vitais que os veículos elétricos realizam.

Captação de Energia

Métodos de captação de energia podem ser aprimorados significativamente usando supercapacitores. As características dos supercapacitores, como a capacidade de armazenar energia extra e liberá-la em segundos, os tornam ideais para uso no processo de captação de energia. Aqui eles desempenham um papel vital ao suavizar impulsos de corrente irregulares.

A tecnologia de captação de energia continua a crescer em alcance e importância. Hoje, há papéis essenciais para supercapacitores ajudando a garantir energia suave e consistente em redes comunitárias, baterias de longa vida, células de combustível ou até mesmo motores de combustão avançados. No futuro próximo, os supercapacitores terão um papel ainda mais importante na captação de energia, pois ajudarão a maximizar os retornos das fazendas solares e eólicas de próxima geração.

Integração com Baterias

É fácil ver por que os supercapacitores podem ser a chave para baterias melhores. Já existem baterias que integram esses dispositivos para garantir entrega de energia e carregamento suaves. Aqui, os supercapacitores asseguram que tensões irregulares não danifiquem circuitos ou criem picos problemáticos.

Pesquisas mostraram que os supercapacitores podem ajudar a impulsionar o desempenho das baterias a novos patamares. Sua alta capacidade e liberação rápida permitem que esses dispositivos armazenem mais energia que as baterias. Além disso, essa energia pode ser aplicada onde necessário 10 vezes mais rápido que os métodos tradicionais de entrega.

Armazenamento de Energia em Veículos Híbridos

Veículos híbridos são outra indústria que encontrou uso para supercapacitores. Nos últimos 5 anos, houve um esforço concentrado para desenvolver motores totalmente alimentados por capacitores para veículos. Esse desenvolvimento revolucionaria a indústria, pois permitiria recarga quase instantânea por meio de várias opções, incluindo frenagem regenerativa, captação de energia ambiente e outros métodos avançados.

O objetivo é que os supercapacitores sejam a principal fonte de energia para essas unidades. Essa estratégia reduziria significativamente os custos e o peso dos veículos elétricos. Também melhoraria a durabilidade e a confiabilidade, ao mesmo tempo que diminui consideravelmente o peso desses veículos. Todos esses fatores levaram os fabricantes de híbridos a investir consideravelmente em pesquisa das melhores opções.

IoT – Internet das Coisas

A IoT é uma rede massiva de dispositivos inteligentes que cresceu para incluir bilhões de unidades. Esses dispositivos são inteligentes porque possuem sensores e se comunicam com a internet. Esses dispositivos, frequentemente pequenos e de baixo consumo, poderiam aproveitar os supercapacitores para atender suas necessidades de energia enquanto permanecem pequenos e acessíveis.

A IoT está em ascensão, com analistas prevendo que essa rede de bilhões de dispositivos aumentará significativamente nos próximos anos. À medida que alimentar essas unidades se torna um foco principal para desenvolvedores, engenheiros e fabricantes.

Benefícios Desta Pesquisa

O principal benefício do estudo dos pesquisadores é a melhoria dos supercapacitores. Seu modelo permitirá que fabricantes criem dispositivos complexos e mais eficientes que alimentarão baterias de carregamento ultrarrápido, redes elétricas, viagens e muito mais. Aqui estão algumas empresas que podem se beneficiar dessa tecnologia nos próximos anos.

1. FREYR Battery

A FREYR Battery (TE ) é uma fabricante luxemburguesa de células de bateria que continua sendo a força dominante no mercado. A empresa foi fundada em 2018 para atender ao crescente mercado de baterias para veículos elétricos. Hoje, a empresa se especializa em armazenamento de energia, aviação, automóveis e serviços de baterias elétricas.

FREYR Battery é uma potência no mercado com operações principais na Noruega e nos EUA. A Geórgia será o lar da planta de baterias Giga atualmente em construção. Essas baterias massivas são projetadas para atender ao setor industrial, tornando esta planta um esforço pioneiro no mercado.

A FREYR Battery tem um MCAP que varia entre US$ 225 milhões e US$ 359,74 milhões. Ao analisar a ação ao longo do intervalo de 52 semanas, os valores oscilaram entre US$ 1,21 e US$ 10,10, com o recorde histórico de US$ 16,94 atingido em 6 de outubro de 2022. Atualmente, analistas preveem que a FREY Battery seja um forte “hold”, com previsões variando de US$ 10,00 a US$ 1,90.

2. QuantumScape

QS Gráfico de preços

QuantumScape (QS ) foi financiada por Jagdeep Singh, Tim Holme e Fritz B. Prinz. Entrou no mercado em 2010 e está baseada na Califórnia. A empresa se especializa em tecnologia de bateria de estado sólido e outras estratégias de economia de energia. Notavelmente, essa empresa inovadora de baterias poderia integrar os avanços dos pesquisadores no futuro para aprimorar suas ofertas.

QuantumScape busca expandir os limites da tecnologia de baterias para melhorar a eficiência e a sustentabilidade. A empresa recentemente chamou atenção ao se tornar a única fabricante a desenvolver células de bateria sem ânodo. Essa melhoria fornece maior densidade de energia e reduz os custos de fabricação.

Os traders observarão que a ação da QuantumScape variou entre US$ 4,92 e US$ 13,86 nas últimas 52 semanas. O MCAP desse ativo apresentou valores entre US$ 2 bilhões e US$ 3 bilhões. Apesar de não apresentar retornos para os traders, ainda é considerado um bom acréscimo porque suas inovações têm alto potencial de transformar o mercado nos próximos meses.

Futuro dos Supercapacitores

O futuro dos supercapacitores é promissor. Mais empresas continuam pesquisando como melhorar esses dispositivos úteis e integrá-los a sistemas existentes para aprimorar o desempenho. Como tal, o mercado de supercapacitores está muito ativo e cheio de inovações. No futuro, os pesquisadores dedicarão tempo à exploração de novos materiais.

Além disso, mais atenção será dada às características físicas desses dispositivos. Eles podem em breve ser feitos mais macios, dobráveis ou até mesmo extensíveis para atender a robôs flexíveis e outros mercados emergentes. Tornar esses dispositivos menores é outra preocupação importante que impulsionará a inovação.

Economia Verde

O futuro dos supercapacitores é verde. Há muita pesquisa sobre como tornar esses dispositivos biodegradáveis no futuro. Essa melhoria ajudaria a reduzir seu impacto no meio ambiente à medida que seu uso continua a crescer. A sustentabilidade é uma preocupação importante para todas as tecnologias que avançam. Como tal, os materiais dos supercapacitores se tornarão mais exóticos com o tempo para garantir que causem menos danos ao ecossistema.

Novos Supercapacitores Ganham Novas Capacidades

Quando você observa o papel crítico que os supercapacitores desempenham em sua vida diária, fica fácil entender por que essa pesquisa tem atraído tanta atenção. Esses dispositivos impulsionam a eletrônica da qual tantas pessoas passaram a depender no dia a dia. No futuro, baterias de carregamento ultrarrápido e redes de energia são exatamente o que o mercado exige. Como tal, é prudente manter-se atualizado sobre essa pesquisa à medida que ela se desenvolve.

Saiba mais sobre outros projetos instigantes aqui.