Avanço da Goma de Árvore Aumenta a Vida Útil dos Supercapacitores

As baterias estão entre os dispositivos de armazenamento de energia mais populares. Esses dispositivos eletroquímicos podem ser carregados e descarregados muitas vezes sem danos. Eles oferecem inúmeros benefícios, como redução de custos de energia, maior independência energética, melhoria da estabilidade da rede e apoio à integração de energia renovável. 

Mas existe outro dispositivo eletroquímico de armazenamento de energia que possui capacidades muito maiores que as baterias. o dispositivo é um supercapacitor, também chamado de ultracapacitor ou capacitor eletroquímico.

Um dispositivo de armazenamento de energia de alta capacidade, o supercapacitor, preenche a lacuna entre baterias e capacitores convencionais. 

Este dispositivo apresenta alta densidade de potência, cerca de mil vezes maior que a das baterias recarregáveis. Ele também armazena mais carga que um capacitor e carrega e descarrega mais rapidamente que as baterias.

Além de possuírem longa estabilidade cíclica, os supercapacitores têm eficiência de carga/descarga rápida, o que os torna adequados para aplicações que necessitam de explosões rápidas de energia. Hoje, os supercapacitores estão sendo cada vez mais usados em diversas aplicações, incluindo lasers, fontes de energia portáteis, equipamentos de flash de câmera, geradores de luz pulsada, sistemas de energia renovável, veículos elétricos híbridos e backup de energia industrial.

Agora, um supercapacitor é composto por dois eletrodos, condutores eletrônicos conectados ao circuito externo, que são separados por um eletrólito, um condutor iônico, e um separador, que é uma membrana que os separa eletricamente para que os eletrodos não entrem em curto-circuito, permitindo que certos íons passem por ele para evitar um circuito aberto no sistema.

Devido à sua alta densidade de potência e à sua amigabilidade ambiental, como a reciclabilidade, o supercapacitor é um dos sistemas de armazenamento de energia mais amplamente e ativamente pesquisados.

Em um supercapacitor, a reação controlada pela superfície determina principalmente sua capacitância. Assim, uma interface estável entre o eletrodo e o eletrólito é fundamental para alcançar alto desempenho e garantir desempenho eletroquímico estável.

As propriedades interfaciais são cruciais para garantir alto desempenho eletroquímico, portanto os pesquisadores têm desenvolvido diferentes métodos para melhorar e superar os problemas associados a elas.

No entanto, todas essas tentativas enfrentam limitações consideráveis, como escalabilidade, custo, ecologia e várias etapas envolvidas no processamento. Portanto, é vital desenvolver uma solução sustentável que atenda a esses critérios e ainda consiga alcançar a alta densidade de energia/potência do supercapacitor para operação a longo prazo. 

Assim, uma equipe de pesquisadores de três instituições diferentes se uniu para introduzir um novo aditivo eletrolítico, que consiste em um biopolímero conjugado de goma kondagogu ou alginato de sódio (KS). Essa goma de árvore não é apenas amplamente disponível, mas também reciclável. 

A introdução da goma de árvore criou uma camada protetora na superfície do eletrodo, que evitou a formação de subprodutos enquanto permitia o transporte fácil de íons/elétrons. Notavelmente, a aplicação desse conceito inovador de aditivo no sistema de supercapacitor leva a uma maior confiabilidade eletroquímica. 

Mesmo com uma pequena concentração de KS, ou seja, 5 mg ml‑1, a retenção de capacitância melhorou até 35% chegando a impressionantes 93% após 30.000 ciclos a uma densidade de corrente de 4,0 mA cm‑2. Isso é simplesmente “notável” considerando o uso de eletrólito ácido H₂SO₄ e eletrodo à base de carbono. 

O estudo chama isso de “primeiro relato” sobre uma melhoria considerável na operação de longo prazo do supercapacitor ao introduzir um aditivo eletrolítico de biopolímero conjugado. Essa solução, graças à sua simplicidade, baixo custo e amigabilidade ambiental, tem potencial para ser comercializada.

Papel da Goma de Árvore em Supercapacitores de Próxima Geração

Pesquisadores de Universidades na Escócia, Coreia do Sul e¹ Índia conduziram a pesquisa, que foi publicada este mês na Energy Storage Materials. 

Isso inclui a University of Glasgow, Chung-Ang University, Ajou University, Amrita University e Myongji University, que juntos projetaram a estrutura compósita KS conjugada para um supercapacitor altamente estável que oferece biocompatibilidade e excelente confiabilidade eletroquímica.

A goma residual utilizada aqui é produzida por árvores na Índia. Gomas de árvore têm amplas aplicações em indústrias como alimentos, cosméticos e farmacêuticos. No entanto, esta goma específica não tem muitos usos práticos.

De fato, as gomas usadas são “um pouco de dor de cabeça para o governo indiano descartar”, observou o autor correspondente do estudo, Dr. Jun Young Cheong da James Watt School of Engineering da University of Glasgow. Ele acrescentou:

“Com esta pesquisa, encontramos uma maneira de criar algo realmente impactante a partir desta goma, criando um biopolímero biodegradável e reciclável que permite desempenho notável e poderia estender a vida útil dos supercapacitores de forma dramática.” 

O uso de eletrólitos ácidos afeta o desempenho de longo prazo dos supercapacitores. Ao causar reações secundárias indesejáveis com seus eletrodos metálicos, eles reduzem a capacidade de manter uma carga completa ao longo do tempo.

Depois há o problema de substituir, reciclar e descartar supercapacitores ao final de sua vida útil. Isso contribui para o problema em rápido crescimento dos resíduos eletrônicos, que representa riscos ambientais e de saúde significativos.

Portanto, a equipe usou a goma kondagogu, um polissacarídeo (biomolécula complexa) produzido pela casca da árvore Cochlospermum Gossypium ou goma Kondagogu (KO). Os pesquisadores combinaram‑na com alginato de sódio para produzir um biopolímero semelhante a uma esponja chamado ‘KS’.

Adicionar este biopolímero ao eletrólito ácido formou uma camada de proteção em seus eletrodos de carbono, o que ajudou a prevenir a degradação física dos eletrodos. Essa proteção foi fornecida sem afetar o processo de transporte de íons, permitindo que o supercapacitor carregue e descarregue.

O eletrólito aprimorado aumentou significativamente o desempenho do supercapacitor.

“No laboratório, demonstramos excelente desempenho ao longo de 30.000 ciclos. Se executássemos um ciclo por dia, o supercapacitor poderia teoricamente durar mais de 80 anos sem perder desempenho significativo, o que poderia significar que os supercapacitores poderiam ser usados em dispositivos por muito mais tempo sem necessidade de substituição.” 

– Dr. Cheong

A pesquisa baseia‑se realmente na pesquisa contínua do Dr. Cheong sobre o uso de resíduos biológicos em baterias. Seu trabalho também demonstrou a eficácia do uso de ligantes de goma, solúveis em água, em ânodos de grafite em baterias de íon‑lítio.

A pesquisa “a pesquisa foi publicada” “ligantes de goma biowaste solúveis em água para ânodo de grafite natural em baterias de íon‑lítio” foi publicada no verão passado, e abordou a substituição do poli‑fluoreto de vinilideno (PVdF) convencional, que utiliza o nocivo N‑Metil‑2‑pirilidona, por um ligante solúvel em água.

O estudo detalhou a fabricação de ânodos à base de grafite natural usando PVdF e ligantes biowaste solúveis em água (W‑SB) provenientes da goma da árvore Cochlospermum gossypium. Ambos usaram 10 % em peso de ligante.

O eletrodo NG‑W‑SB exibiu boas propriedades mecânicas e manteve a integridade estrutural após ciclos, promovendo baixa resistência de transferência de carga no eletrodo. Também mostrou picos de corrente elevados no primeiro ciclo, indicando desempenho eletroquímico aprimorado, ao contrário dos picos ligeiramente baixos do eletrodo NG‑PVdF, que ainda sofreu degradação de capacidade logo após 200 ciclos. Enquanto isso, o NG‑W‑SB tem uma retenção de capacidade estável mais alta, chegando a 360 ciclos.

“Geralmente, os ligantes W‑SB mostraram características de retenção de ciclo altamente aprimoradas, capacidades de taxa comparáveis e menor resistência do eletrodo, o que abriu uma nova via para a adoção de resíduos biológicos (goma) como ligante funcional solúvel em água para aplicações de baterias de íon‑lítio (LIBs)”, observou o estudo.

Outra pesquisa do Dr. Cheong inclui, “Carbono ativado derivado de material orgânico para supercapacitor ecológico de papel de amoreira,” onde o carbono ativado (AC) foi preparado usando casca de laranja (OP), um resíduo comum, que foi então revestido em papel de amoreira (MP), demonstrando hidrofobicidade, alto teor de holocelulose e forte ligação com o material ativo. Outro revestimento de poli(3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS) foi usado para fabricar um MP de dupla camada para o supercapacitor aqui.

Outros Desenvolvimentos no Espaço dos Supercapacitores

Dado o quão críticos os supercapacitores são em várias aplicações, pesquisadores ao redor do mundo estão ativamente investigando maneiras de melhorar seu desempenho. 

Tratamento por Plasma para Melhorar a Capacitância

No início deste mês, cientistas do Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia (Skoltech) da Rússia revelaram um tratamento por plasma que pode dobrar a capacidade dos supercapacitores.

A equipe, segundo o investigador principal do estudo, o professor assistente Stanislav Evlashin, está investigando maneiras de melhorar o desempenho dos supercapacitores “brincando com o material à base de carbono usado em seus eletrodos.”

Existem duas maneiras de aumentar a quantidade de energia que um supercapacitor armazena, explicou Evlashin:

“Ou você aumenta a área de superfície efetiva dos eletrodos por meio de um design de superfície intricado ou introduz átomos estranhos no material de carbono dos eletrodos.”

O estudo deles focou no efeito da introdução de átomos estranhos no material de carbono dos eletrodos de supercapacitor via tratamento por plasma. 

A equipe testou o impacto do plasma com seis diferentes composições químicas na capacitância de nanowalls de carbono, mas apenas o plasma composto por uma mistura de nitrogênio e argônio demonstrou melhoria substancial. 

“Descobrimos que o que acontece primeiro é que o carbono amorfo restante após o crescimento das estruturas de nanowall de carbono é removido. Isso é seguido pela formação de novos defeitos e pela incorporação de heteroátomos na estrutura do material de carbono. O carbono amorfo, juntamente com os heteroátomos de nitrogênio, contribui para a ocorrência de pseudocapacitância.”

– Evlashin

Avançando o Desempenho por Meio da Engenharia de Eletrodos e Materiais

Esta semana, pesquisadores da University of California projetaram a orientação de eletrocristalização, bem como a ativação de superfície em ZHSCs de ampla temperatura ou supercapacitores de íons de zinco.

Conforme observado no estudo, combinar a capacidade do ânodo e do cátodo é necessário para maximizar o desempenho da célula eletroquímica. Portanto, eles apresentaram duas abordagens para equilibrar a utilização dos eletrodos em ZHSCs. 

Isso inclui minimizar a formação de dendritos, que aumenta a vida útil dos ciclos, modificando o coletor de corrente do ânodo com nanopartículas de cobre. A outra estratégia foi aumentar a capacidade do cátodo de carbono ativado por meio de uma reação eletrolítica.

A célula completa manteve 84 % de sua capacidade mesmo após 50.000 ciclos completos de carga‑descarga até 2 V. Sua capacidade cumulativa, por sua vez, foi de 19,8 Ah cm⁻², o que supera os ZHSCs, tornando este design de dispositivo “promissor para aplicações de alta resistência, incluindo fontes de energia ininterruptas e sistemas de captura de energia que exigem ciclos frequentes”, afirmou.

Um estudo do mês passado, entretanto, recomendou modificar a estrutura aniónica do óxido de cobalto de lítio para melhorar a densidade de energia e a capacidade de armazenamento de carga dos supercapacitores.

Para isso, o óxido de cobalto de lítio foi modificado para LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4, que exibiu características de desempenho impressionantes, incluindo capacitância de 512 F g⁻¹ e eficiência coulômbica de pouco mais de 92 % após 4.000 ciclos a uma densidade de corrente de 2 A g⁻¹. A estabilidade eletroquímica do material modificado em taxas de corrente elevadas, bem como a baixa resistência série equivalente, segundo o estudo, “o posiciona como um candidato significativo para futuros avanços na tecnologia de supercapacitores.”

Supercapacitores Plásticos para Maior Armazenamento de Energia

Pesquisadores estão até usando plástico para melhorar os supercapacitores. Químicos da UCLA desenvolveram nanofibras de PEDOT texturizadas, semelhantes a pelos, que possuem maior área de superfície para armazenar carga e condutividade elétrica superior.

PEDOT ou poli(3,4-etilenodioxitiofeno) é um filme transparente e flexível que é aplicado nas superfícies de componentes eletrônicos e filmes fotográficos para protegê-los da eletricidade estática. Seu potencial para armazenamento de energia é bastante limitado, pois os materiais de PEDOT não possuem a condutividade elétrica e a área de superfície necessárias para armazenar grandes quantidades de energia.

No entanto, usando um método inovador, os químicos controlaram a morfologia do PEDOT para cultivar nanofibras de forma precisa. O processo de crescimento em fase de vapor criou nanofibras de PEDOT verticais que pareciam grama densa crescendo para cima.

“O crescimento vertical único do material nos permite criar eletrodos de PEDOT que armazenam muito mais energia do que o PEDOT tradicional.”

– O autor correspondente, cientista de materiais da UCLA Maher El‑Kady

A equipe então criou um supercapacitor usando estruturas de PEDOT que armazenaram quase dez vezes mais carga do que o PEDOT convencional e duraram quase 100.000 ciclos de carga.

De acordo com o autor correspondente, Richard Kaner, que é professor de química, bem como de ciência e engenharia de materiais:

“O desempenho excepcional e a durabilidade de nossos eletrodos mostram grande potencial para o uso de graphene PEDOT em supercapacitores que podem ajudar nossa sociedade a atender às nossas necessidades energéticas.”

Clique aqui para saber tudo sobre supercapacitores de auto‑carga.

Adicionando Supercapacitores às Baterias para Acelerar a Velocidade de Carregamento

Em meio a toda essa pesquisa, até o fabricante alemão de automóveis BMW registrou uma patente de supercapacitor que carregará carros de corrida híbridos em um minuto.

A empresa está explorando o potencial de adicionar um supercapacitor específico para esportes motorizados às baterias para reduzir significativamente o tempo de carregamento. Conforme a aplicação, acoplar um supercarro híbrido com capacidade superior a 20 kWh a um sistema existente baseado em bateria ajudará a superar alguns dos principais pontos negativos de ambos os sistemas.

A BMW estima que “para um cliente que deseja conduzir o veículo na pista, isso pode oferecer a oportunidade de dirigir continuamente nos limites físicos com curtas interrupções.”

Seu concorrente, o Grupo Volkswagen, entretanto, já está usando um supercapacitor no Lamborghini Sian. O supercapacitor armazena energia elétrica, que é então alimentada a um motor elétrico. O Sian possui um motor de 25 kW integrado à caixa de câmbio para fornecer um e‑boost ao V12 de 577 kW e 6,5 L ou alimentá‑lo totalmente com eletricidade durante manobras em baixa velocidade.

Empresas Inovadoras no Campo

O tamanho do mercado global de supercapacitores está na casa dos bilhões de dólares, impulsionado pela crescente demanda por soluções de armazenamento de energia sustentáveis e eficientes. Assim, muitas empresas, como a Panasonic Corporation e a Skeleton Technologies, estão trabalhando para melhorar a tecnologia.

Um nome de destaque neste setor é a AVX Corporation, que foi adquirida pelo fabricante japonês de eletrônicos Kyocera Corporation em 2020, quando as ações comuns da AVX deixaram de ser negociadas na NYSE. As ações da Kyocera, por sua vez, estão sendo negociadas no mercado OTC (KYOCF:OTCPK) a US$ 10,70, o que coloca sua capitalização de mercado em US$ 15,85 bilhões. Ela paga um rendimento de dividendos de 3,12 %.

A KEMET Corporation também é conhecida por oferecer uma ampla gama de supercapacitores com capacidades de alto desempenho que podem ser usados como baterias secundárias quando aplicados em um circuito DC. Segundo seu site oficial, os dispositivos são mais adequados para uso em aplicações de retenção DC de baixa tensão. Originalmente uma empresa dos EUA que abriu capital na NYSE em 1990, a KEMET foi adquirida pela empresa taiwanesa Yageo Corporation em 2020.

A Maxwell Technologies é mais um fabricante proeminente de ultracapacitores. A Tesla (TSLA ) a adquiriu em 2019, apenas para vendê‑la à UCAP Power em 2021. Apesar de vender a Maxwell, o fabricante de veículos elétricos e baterias, com capitalização de mercado de US$ 817,34 bilhões, manteve seu processo de fabricação de eletrodos secos, baseado em sua tecnologia de capacitor. As ações da TSLA estão atualmente com queda de mais de 37 % no ano, sendo negociadas a US$ 248,80.

Existe ainda a CAP‑XX, baseada na Austrália, que fabrica supercapacitores prismáticos finos para uso em dispositivos portáteis de consumo, eletrônicos comerciais e industriais, e aplicações de energia limpa. Está listada no mercado AIM da London Stock Exchange.

Os supercapacitores da CAP‑XX apresentam alta densidade de energia, alta tensão de célula e corrente de fuga extremamente baixa. Com a ajuda de seus supercapacitores, os fabricantes podem reduzir o tamanho, peso e custo das baterias, o número e custo dos componentes envolvidos e seu impacto ambiental.

Conclusão

Embora as baterias tenham roubado os holofotes, os supercapacitores estão ganhando força ao se tornarem um dos componentes mais cruciais no ecossistema energético global. Afinal, eles podem oferecer alta eficiência, longa vida útil de ciclos e entrega de energia instantânea.

Atualmente, os supercapacitores são complementares no setor de armazenamento de energia para aplicações como eletrônicos de consumo, suavização de energia renovável, veículos híbridos elétricos e energia de reserva, que exigem ciclos rápidos de carga‑descarga e longas vidas operacionais.

Portanto, a adoção mais ampla de supercapacitores ainda é limitada por custos, materiais e preocupações ambientais. No entanto, abordagens como biopolímeros à base de goma de árvore estão enfrentando esses mesmos desafios, o que indica um futuro promissor para os supercapacitores. Ainda assim, a comercialização levará tempo, mas, uma vez que se intensifique, os supercapacitores podem se tornar convencionais e desempenhar um papel fundamental em sistemas de energia sustentáveis.

Clique aqui para uma lista das principais ações de baterias.

Estudos Referenciados:

1. ​Lee, S., Park, J. Y., Yoon, H., Park, J., Lee, J., Hwang, B., Padil, V. V. T., Cheong, J. Y., & Yun, T. G. (2025). Supercapacitor de longa duração com interface eletrodo‑eletrólito estável habilitada por um aditivo eletrolítico de biopolímero conjugado. Energy Storage Materials, 67, 104195. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104195

2. Chang, J. H., Pin, M. W., Msalilwa, L. R., Shin, S. H., Han, C., Yu, H., Chandio, Z. A., Padil, V. V. T., Kim, Y., & Cheong, J. Y. (2024). Ligantes de goma biowaste solúveis em água para ânodo de grafite natural em baterias de íon‑lítio. Journal of Electroanalytical Chemistry, 967, 118467. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118467

3. Han, Y., Yoon, H., Cheong, J. Y., & Hwang, B. (2025). Carbono ativado derivado de material orgânico para supercapacitor ecológico de papel de amoreira. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702

4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., et al. (2025). Engenharia da orientação de eletrocristalização e ativação de superfície em supercapacitores de íons de zinco de ampla temperatura. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5

5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). Engenharia de ânions em óxido de cobalto de lítio para aplicação em supercapacitores de alto desempenho. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7