Supercapacitores em vez de baterias: dispositivo, comparação de recursos, benefícios de uso, comentários

2024 Autor: Erin Ralphs | [email protected]. Última modificação: 2024-02-19 18:19

A ideia de uma alta capacitância específica foi explorada na década de 1960, mas hoje há uma nova onda de aumento de interesse nesta tecnologia, devido à combinação única de propriedades de desempenho do produto final. Hoje, com base nessa tecnologia, são produzidas várias modificações de supercapacitores e ultracapacitores, que podem ser considerados uma bateria de energia completa. Os conceitos de supercapacitor mostrados abaixo mostram que sua futura concorrência com baterias convencionais (baterias) não é tão fantástica.

O que é um supercapacitor?

Em essência, esta é uma bateria eletroquímica otimizada, feita na forma de um capacitor compacto. Mesmo com uma comparação superficial do dispositivo com um típicobateria para um carro, você pode destacar a diferença óbvia de tamanho e, na prática, os benefícios também virão à tona na forma de uma vida útil e potência mais longas. Em outras palavras, supercapacitores podem ser usados em vez de baterias, embora com algumas ressalvas devido a limitações em termos de acúmulo de potencial energético. Tais nuances ainda ocorrem devido à imperfeição do desenvolvimento tecnológico dos ionistores, no entanto, a situação está mudando sob a pressão do mercado com suas crescentes exigências por baterias.

Design e design de produto

A base deste capacitor é formada por dois eletrodos, entre os quais o meio eletrolítico é tradicionalmente colocado. Diferenças da bateria podem ser observadas na estrutura dos materiais para a fabricação de eletrodos, cujas placas são revestidas com carvão ativado poroso. Quanto ao eletrólito, misturas orgânicas e inorgânicas podem ser utilizadas nesta capacidade. Estruturalmente, destaca-se também a solução técnica de isolamento na estrutura de supercapacitores. Em vez de placas de alumínio de bateria com uma camada dielétrica, são usados componentes com propriedades ideais de condutividade iônica e eletrônica. Se continuarmos com o conceito do possível uso de um supercapacitor como bateria, então o carbono poroso poderia atuar como condutor eletrônico e uma solução de ácido sulfúrico poderia atuar como condutor iônico. Desta forma, uma camada de separação de carga ideal entre os eletrodos pode ser fornecida sem a inclusão adicional de isoladores volumosos.

Variedades de supercapacitor

Já hoje, existem várias direções no desenvolvimento de ionistores. Os mais notáveis e promissores são os seguintes tipos de dispositivos:

• Capacitores de dupla camada. O modelo padrão, que usa os eletrodos mencionados acima, feitos de material eletricamente condutor, e um separador especial é usado como eletrólito. O acúmulo de potencial de energia ocorre como resultado da separação de cargas nos eletrodos.
• Pseudocapacitores. Uma bateria recarregável feita com esse tipo de supercapacitor pode ser uma solução de muito sucesso, pois oferece formas mais avançadas de armazenamento de energia. Em primeiro lugar, é ativado o princípio do mecanismo de Faraday associado aos processos de acumulação de energia em baterias convencionais. E em segundo lugar, o esquema básico de interação eletrostática entre eletrodos em uma dupla camada elétrica também é preservado.
• Capacitores híbridos. Um conceito intermediário que combina as características positivas individuais de baterias e capacitores. Esses dispositivos normalmente usam uma combinação de eletrodos feitos de óxidos mistos e polímeros dopados. O desenvolvimento adicional desta direção está associado ao uso de materiais compósitos suplementados com carreadores de carbono e polímeros condutores.

Principais recursos

Hoje é difícil falar sobre os indicadores de desempenho bem estabelecidos dos ionistores, porquea tecnologia está sendo constantemente aprimorada e ajustada para o aprimoramento das fontes de corrente eletroquímicas. Mas se pegarmos os dados médios sobre as principais características dos supercapacitores, os indicadores específicos ficarão assim:

• Tempo de carregamento - 1 a 10 segundos
• O número de ciclos de carregamento é de cerca de 1 milhão, o que corresponde a 30.000 horas.
• Tensão na célula do bloco - intervalo de 2,3 a 2,75 V.
• Intensidade de energia - valor padrão 5 Wh/kg.
• Potência - cerca de 10.000 W/kg.
• Durabilidade - até 15 anos.
• Temperatura de operação -40°C a 65°C.

Comparação com baterias convencionais

Os principais parâmetros distintivos são a taxa de acumulação de energia e o grau de retorno da carga elétrica. Devido ao uso de uma dupla camada de potencial elétrico próximo ao supercapacitor com dimensões semelhantes, a área da superfície de trabalho dos eletrodos aumenta. Ou seja, podemos falar em combinar as melhores propriedades da bateria e do capacitor como tal. Se compararmos a distribuição das correntes da bateria e do supercapacitor à carga, a uniformidade dos volumes da corrente consumida será geralmente idêntica, mas com duas correções. Durante o funcionamento da bateria, é possível deslocar a maior corrente para o elemento localizado na parte inferior do bloco e, no caso de ionistores, em princípio, o potencial será menor devido à baixa tensão. Além disso, diferenças significativas incluem a diferença no recurso de trabalho - os supercapacitores servem aproximadamente 25-30% a mais no tempo, sem mencionarmaior taxa de ciclos de trabalho factíveis.

Vantagens de operar supercapacitores

Se geralmente considerarmos os efeitos positivos do uso de supercapacitores em vez de baterias, as seguintes qualidades virão à tona:

• A alta densidade de energia dos supercapacitores permite que eles sejam usados em dispositivos eletrônicos como fonte de energia de curto prazo.
• Segurança Ambiental. É claro que os componentes eletroquímicos ainda são mantidos no projeto, mas seus efeitos tóxicos estão diminuindo constantemente.
• Possibilidade de utilização de energia de fontes renováveis - vento, sol, água e terra.
• Ampliação de oportunidades para integração estrutural de baterias - por exemplo, para manutenção de usinas complexas, máquinas elétricas híbridas, veículos movidos a hidrogênio, etc.

Vale ress altar algumas das vantagens de um supercapacitor em relação a um capacitor convencional. São poucos, mas uma grande capacidade de armazenamento de energia é de fundamental importância. De acordo com este indicador, nem todas as modificações de ionistores podem competir com baterias, no entanto, em comparação com capacitores no parâmetro de capacidade elétrica, eles vencem com confiança.

Revisões positivas de supercapacitores

Testes e aplicação parcial de supercapacitores hoje ocorrem em uma variedade de indústrias. Como mostram os comentários sobre o funcionamento desses dispositivos, eles confirmam as declarações dos fabricantes sobre o altoconfiabilidade, segurança ambiental e alta capacidade. O que é especialmente importante do ponto de vista da comparação de supercapacitores e baterias, os primeiros não são tão exigentes para criar condições especiais durante o manuseio físico. Isso se deve em parte à mesma baixa toxicidade dos componentes, mas em maior medida, a ergonomia de operação se deve ao alto grau de proteção do gabinete. Ou seja, o usuário não precisa fornecer dispositivos especiais para manutenção de supercapacitores em condições de vedação. O baixo peso e as dimensões otimizadas também facilitam as operações de manutenção de rotina.

Revisões negativas de supercapacitores

Também existem pontos fracos neste tipo de capacitores, que também se manifestam claramente na prática. Em particular, os usuários apontam para sua baixa densidade energética, baixo desempenho e nível de tensão nem sempre suficiente, o que torna necessário o uso de vários elementos para atender uma unidade consumidora alvo. De muitas maneiras, essas deficiências impedem o uso de supercapacitores em vez de baterias hoje, embora, novamente, o desenvolvimento tecnológico seja mais provável de resolver esses problemas.

Perspectivas para o desenvolvimento de capacitores

De acordo com especialistas e desenvolvedores de baterias, em um futuro próximo, capacitores de nova geração serão usados em todos os lugares. Isso se tornará possível devido ao aumento ativo da capacidade específica dos dispositivos. Vale a penaagregar e melhorar as características técnicas e estruturais dos supercapacitores, principalmente no que diz respeito às dimensões e peso. Ao mesmo tempo, testes de ionistores com potência de até 2,5 mW já estão sendo organizados hoje. No futuro, tais sistemas poderão ser utilizados na manutenção de redes de transporte, instalações industriais e complexos residenciais.

Conclusão

O conceito de supercapacitor é considerado a solução ideal em situações onde há uma necessidade de curto prazo de fornecimento de energia com carga viva. Em parte, isso é uma contradição com a ideia de baterias eletroquímicas, focadas na manutenção de energia a longo prazo com certos parâmetros. Mas é possível usar um supercapacitor em vez de uma bateria em um carro, dado esse recurso operacional? Com um alto grau de probabilidade, as preocupações automotivas avançadas usarão capacitores de alta capacidade, mas apenas em versões híbridas especiais que combinam as qualidades positivas dos supercapacitores como tal e componentes eletroquímicos tradicionais. Por exemplo, hoje essas soluções são usadas na forma de uma combinação de uma estrutura eletroquímica de chumbo-ácido e um supercapacitor.