O poder silencioso dos super capacitores
1 DE OUTUBRO DE 2018
Desde a captura de energia até as usinas de energia, o uso da eletrônica de potência está em toda parte, sem aplicações que exijam muita energia. A indústria de eletrônica de potência é muito dinâmica e muitas novas tecnologias tornaram o impossível possível hoje. Em uma busca ininterrupta por níveis mais altos de desempenho, segurança e sustentabilidade, novos componentes e tecnologias como Wide Bandgap Semiconductors e Digital Power Management recebem intensa publicidade com atenção e atenção cobertura. No entanto, escondido na sombra, há um componente que é muito importante e intrinsecamente envolvido em muitas aplicações vitais: Super capacitor.
Fonte da imagem: PRBX / Shutterstock / Sakkmesterke
Os super-capacitores estão em quase toda parte, porém, como são vistos como componentes passivos com uma baixa conotação técnica, eles raramente estão no centro das atenções. É hora de trazê-los de volta ao palco, então vamos ver a fascinante história e tecnologia por trás do poder silencioso dos supercondensadores.
De Howard Becker a Elon Musk
Na década de 1950, quando os condensadores eram feitos de papel e pequenos, a General Electric investigou maneiras de aumentar a capacidade de armazenar e liberar níveis mais altos de energia e de poder absorver distorções de tensão em produtos eletrônicos e aplicações. militares ultra-secretos. A pesquisa foi conduzida por Howard I. Becker e sua equipe, e em 14 de abril de 1954, eles solicitaram uma patente para um "capacitor eletrolítico de baixa voltagem" usando um eletrodo de carbono poroso. Em 23 de julho de 1957, patente US2800616A foi lançado, abrindo caminho para futuras inovações. A invenção de Becker foi o início de uma corrida entre laboratórios para transformar a invenção em um componente capaz de produção em massa (por exemplo, em 1958, A Philips NV patenteou um processo de produção de eletrodo de capacitor eletrolítico) com desempenho superior. O capacitor eletrolítico nasceu.
Embora a invenção do capacitor eletrolítico tenha sido um passo importante para a indústria eletrônica, a capacidade ainda não foi suficiente para armazenar os níveis mais altos de energia necessários para estabilizar uma rede elétrica ou fornecer os níveis de energia extremamente altos exigidos. por algumas aplicações na indústria de defesa. Foram necessários outros seis anos de pesquisa, após a patente de Becker, até que o engenheiro Robert A. Rightmire, da Standard Oil Company, foi concedido em 29 de novembro de 1966, patente US3288641A, para um "dispositivo de armazenamento de energia" descrito como:
Devido à sua capacidade de armazenar e liberar altos níveis de energia por muito pouco tempo, eles intensificaram a investigação sobre super-capacitores de alta performance na EV (veículo eléctrico) eo número de invenções e patentes disparou. A maioria dos aplicativos de EV armazenava a energia gerada pela desaceleração e procurava reutilizá-lo para acionar o acelerador. Potenciais super-capacitores despertou a atenção março 2011 Forum Cleantech San Francisco, quando Elon Musk disse sobre o futuro dos veículos eléctricos: "Se eu tivesse que fazer uma previsão, eu acho que há uma alta probabilidade de que sem baterias mas super-capacitores são os únicos a fornecer energia no futuro EV. "Só para lembrar, Musk veio originalmente para a Califórnia para estudar em Stanford a física dos capacitores de alta densidade. Seus discursos provocaram muita especulação sobre o potencial dos supercondensadores, com a percepção de que eles poderiam ser a solução para armazenar energia, eventualmente substituindo as baterias. A realidade é um pouco diferente, desde as patentes originais de Becker e Rightmire até hoje, a tecnologia de supercondensador progrediu em um silêncio justo "nos bastidores".
Figura 1: A supercondensadora consiste de uma base de dois eletrodos, um separador e um eletrólito. Fonte da imagem: PRBX
Como isso funciona?
Como lembramos da escola, um condensador consiste em dois selos de metal ou conduíte separados por um isolante, como ar ou plástico ou cerâmica. Durante a carga, o elétron se acumula em um condutor e sai do outro. Usando métodos convencionais de fabricação, o armazenamento da energia convencional do condensador é limitado pelas leis da física, e aqui a invenção de Robert A. Rightmire abriu novos caminhos para armazenar grandes energias.
Uma supercondensadora consiste de dois eletrodos, um separador e um eletrólito. Os eletrodos são feitos de um coletor metálico, que é a parte altamente condutora e um material ativo (mais comumente óxidos metálicos, carbono e grafite são usados), que é a grande área de superfície. Os dois eletrodos são separados por uma membrana que permite a mobilidade de íons carregados, mas proíbe a condução elétrica. O sistema é impregnado com um eletrólito (Figura 1). As dimensões geométricas das duas folhas de carbono e os separadores foram projetados para ter uma área de superfície muito grande. Devido à sua estrutura, o carbono de alta porosidade pode armazenar mais energia do que um capacitor eletrolítico.
Quando uma voltagem é aplicada à armadura positiva, ela atrai íons negativos do eletrólito, e quando uma voltagem é aplicada na armadura negativa, ela atrai íons positivos do eletrólito. Como resultado, as camadas de íons formadas em ambos os lados da armadura realizam o que é chamado de formação de "dupla camada", levando os íons a serem armazenados próximos à superfície do carbono. Este mecanismo oferece aos super capacitores a capacidade de armazenar e usar alta energia em curtos períodos de tempo.
A superfície da parte ativa é a chave para a capacitância do super capacitor e, pelo que sabemos, o aumento da superfície leva ao aumento da capacidade. O que é particularmente interessante e excitante na tecnologia de supercapacitores é a possibilidade de introduzir nanotecnologias. Um exemplo é a substituição da camada convencional de carbono ativo por uma camada fina de bilhões de nanotubos. Cada nanotubo é como um único cilindro com 5nm de diâmetro e 100μm de comprimento, crescido perpendicularmente aos eletrodos condutivos, e usando bilhões de tais nanotubos é possível obter níveis extremamente densos de capacidade.
Figura 2: Energia vs. Densidade de potência para vários tipos de dispositivos de armazenamento de energia Fonte de imagem: PRBX
Substituirão as baterias dos supercondensadores?
Após declarações de Elon Musk do Fórum Cleantech 2011 tem despertado grande interesse para super capacitores e, claro, o potencial da nanotecnologia, o que mantém as esperanças alta que em algum lugar no futuro, super-capacitores poderia chegar ao ponto onde para equalizar o desempenho da bateria. Como pode ser visto na Figura 2, que expressa energia vs. densidade de energia para diferentes tipos de dispositivos de armazenamento de energia, os níveis de desempenho de células de combustão convencionais, baterias, capacitores e condensadores convencionais não se sobrepõem. No entanto, eles estão concluindo e os avanços tecnológicos recentes reduzem o espaço entre as baterias e os supercondensadores.
Cada uma das tecnologias tem suas próprias vantagens e desvantagens que os projetistas de energia levam em consideração ao desenvolver sistemas de energia.
A Figura 3 compara os principais parâmetros das baterias de íons de lítio e supercondensadores, e é óbvio que uma das principais vantagens dos supercondensadores é o número extremamente alto de ciclos de uso, o que significa que pode ser carregado e baixado por um número virtual tempos ilimitados, o que é improvável que seja o caso de baterias eletroquímicas que definiram um ciclo de vida muito mais curto.
O fenômeno do envelhecimento também é favorável aos supercondensadores. Em circunstâncias normais, de uma capacidade original de 100%, eles perderão apenas 20% em 10 anos, o que está bem acima dos níveis atingidos por qualquer bateria. Para projetistas de sistemas que precisam alimentar sistemas de energia em ambientes difíceis, os supercondensadores operam em temperaturas muito baixas a muito altas, sem degradação, o que sabemos que não é o caso das baterias. Por outro lado, a descarga de supercondensadores em 30 a 40 dias é de 100 a 50%, enquanto a descarga automática de baterias de chumbo ou lítio é de apenas 5% no mesmo período, mas a tecnologia melhora diariamente, e os supercondensadores estão ficando cada vez melhores.
Figura 3 (Tabela): Comparação dos principais parâmetros entre baterias de íons de lítio e super-capacitores Fonte da imagem: PRBX
Com o aumento dos requisitos de energia renovável e questões de armazenamento de energia, a questão da razão por trás da construção de enormes bancos de baterias de íons de lítio está aumentando. Todos sabemos que essas baterias têm vida útil limitada, mas também usam materiais preciosos que não são fáceis de reciclar e que estão associados a riscos ambientais. Aqui é o lugar onde a pesquisa é muito interessante, com apreciações de apresentações como as feitas pelas Universidades de Surrey e Bristol em fevereiro de 2018 sobre o desenvolvimento de materiais poliméricos. Eles atingiram valores de capacidade prática de até 4 F / cm2, quando o padrão industrial é de 0,3 F / cm2 e espera-se que atinjam valores em um futuro próximo de 11-20 F / cm2. Quando esses níveis de capacidade são atingidos, podemos falar de 180Wh / kg, que é semelhante às baterias de íon de lítio. O nível de pesquisa na área do supercondensador é realmente impressionante, e a lacuna entre os capacitores e as baterias se fecha. Assim que isso acontece, permanece desconhecido, mas se considerarmos o número de patentes, os artigos apresentados e o nível de interesse da indústria, isso não deve durar muito tempo.
Ele faz seu trabalho silenciosamente
Os supercondensadores estão em quase toda parte e é quase impossível escrever uma lista exaustiva de aplicativos. Desde o experimento de ônibus de Xangai, ou seja, o uso de uma frota de ônibus alimentada apenas por supercapacitores, até dispositivos inteligentes de medição e dispositivos de recuperação de energia, eles estão em toda parte. Naturalmente, sua capacidade de suportar muitos ciclos de carga e descarga os torna ideais para instalações elétricas ou veículos públicos ou privados. Por exemplo, instalações como guindastes portuários podem acumular e reutilizar energia. Mas em muitas aplicações, quando os projetistas precisam de potência de pico, super capacitores estão lá.
Se você é áudio, seu amplificador de áudio pode conter um banco de supercapacitores capaz de fornecer kilowatts de potência de pico ao difusor de graves quando Ferruccio Furlanetto interpreta as notas de fundo de Don Quichotte. Se você tiver um medidor inteligente em casa, é muito provável que ele contenha um super capacitor capaz de fornecer energia de pico ao transmitir dados armazenados no módulo GPRS. Novamente, se você está obcecado com a tecnologia e assistir ao projeto Lamborghini 'Terzo Millennio', você será capaz de ver o papel importante que os super-capacitores desempenham no automobilismo deste carro esportivo muito especial.
Figura 4: O PRBX 29F Super Capacitor substitui as baterias em aplicações exigentes como solução de pico de energia e unidade de backup. Fonte da imagem: PRBX
A segurança é outra vantagem dos supercondensadores, e é por isso que eles são a primeira escolha quando o backup ou o pico de energia é necessário em um ambiente restritivo. Aplicativos críticos que operam em ambientes hostis ou restritos são estritamente normalizados em termos de riscos químicos ou outros, reduzindo ou proibindo certos tipos de baterias, como Íons de Lítio. Por motivos de segurança, esses aplicativos devem ter reserva de energia suficiente para ativar alarmes e encerrar processos com segurança. Em situações tão duras, as baterias usuais são substituídas por supercondensadores, cujo valor pode variar de alguns Farads a 200 Farases, para aplicações gerais (Figura 4).
O que vem a seguir?
Como vimos, a tecnologia de super capacitor está se movendo muito rápido. Os desafios colocados pelos problemas de armazenamento de energia talvez sejam a área em que vemos imediatamente os benefícios das nanotecnologias envolvidas nos supercondensadores.
Um exemplo na conclusão deste artigo é uma pesquisa muito interessante conduzida sob a liderança da Universidade Central da Flórida sobre a combinação de cabos de distribuição com supercondensadores. O professor Jayan Thomas, do NanoScience Technology Center, encontrou uma maneira de melhorar um condutor de cobre comum para transformá-lo em um cabo de supercondensador. Baseado na tecnologia de nanowhisker, o condutor de fio de cobre padrão pode ser transformado em um super capacitor capaz de armazenar e entregar grandes quantidades de energia.
Assim, com certos graus de silêncio, os super capacitores se tornam os componentes mais promissores para o futuro. Muitos projetistas de energia já estão implantando soluções supercondutoras, mas considerando a rapidez com que as enormes pesquisas e desafios que a humanidade enfrenta como resultado da mudança climática estão ocorrendo em um dos dias de um futuro ainda não distante. os supercondensadores serão o coração das modernas soluções de energia.
Autor : Patrick Le Fèvre, Diretor de Marketing e Comunicação, Powerbox
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