Supercapacitores aproximam-se das baterias usando eletrólitos alternativos

Com informações da Agência Fapesp/CINE - 21/06/2022

Tecnologias emergentes podem viabilizar dispositivos com maior capacidade de armazenamento energético e menor impacto ambiental do que as baterias.
[Imagem: CINE]

Supercapacitores

Embora as baterias sejam os dispositivos para armazenar energia mais conhecidos, os supercapacitores as superam em termos de potência (a rapidez com que conseguem carregar e entregar energia) e vida útil (a quantidade de ciclos de carga e descarga que podem oferecer).

Contudo, eles são limitados quanto à densidade energética, que é a quantidade de energia que um dispositivo é capaz de armazenar em determinado volume ou peso - eles carregam mais rápido, mas você precisará carregá-los mais vezes do que uma bateria.

Fazendo o balanço geral, baterias e supercapacitores podem se complementar em muitas aplicações. Mas os supercapacitores parecem preferir um voo solo, e por isso estão avançando rapidamente.

Dois avanços recentes, obtidos por pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), ligado a várias universidades paulistas, demonstraram tecnologias emergentes que podem viabilizar supercapacitores com maior densidade de energia e menor impacto ambiental, diminuindo sua distância em relação às baterias.

Os dois avanços envolvem o uso de eletrólitos não convencionais: Líquidos iônicos e de soluções salinas.

• Teoria unifica baterias e capacitores e pode revolucionar armazenamento de energia

Eletrodos porosos e eletrólito duplo

O eletrólito é o componente do supercapacitor, geralmente líquido, que fica confinado entre os eletrodos. Quando uma tensão elétrica é aplicada (ou seja, quando o supercapacitor é ligado na tomada para carregar), os eletrodos polarizam, adquirindo cargas positivas e negativas. Nesse momento, uma camada de íons de carga oposta passa a aderir à superfície de cada eletrodo, ficando a energia armazenada na interação entre os íons do eletrólito e a superfície do eletrodo.

Aplicar tensões mais altas permite armazenar mais energia, desde que os componentes não se degradem. Por isso são necessários eletrólitos mais estáveis, como os pesquisados pela equipe brasileira, que ajudam ainda a aumentar a densidade de energia dos dispositivos.

No primeiro estudo, Pedro Henrique Ferreira e Abner Sampaio estudaram o desempenho de supercapacitores com eletrólitos de líquidos iônicos, essencialmente sais que são líquidos em temperatura ambiente.

Usando simulações de dinâmica molecular para avaliar a potência e a densidade energética dos supercapacitores, os pesquisadores descobriram uma combinação de grande eficiência, formada por eletrodos porosos, que oferecem maior capacidade de armazenar cargas graças à sua grande área superficial, e dois líquidos iônicos diferentes.

"Mostramos que supercapacitores contendo líquidos iônicos e eletrodos porosos, com poros uniformes de 1 nanômetro, poderiam armazenar quase a mesma quantidade de energia que uma bateria de íons de lítio, como aquelas que estão em nossos notebooks e celulares," explicou o professor Leonardo Siqueira, coordenador da equipe.

Estas pesquisas podem mudar o jogo contra a intermitência das fontes de energia limpa.
[Imagem: Pedro H.L. Ferreira et al. (2022)]

Eletrólito de água e sal

Na segunda pesquisa, João Pedro Santos e seus colegas investigaram o uso de eletrólitos formados por água extremamente salgada, conhecidos como eletrólitos de água em sal.

Eletrólitos baseados em água despertam grande interesse porque são mais baratos e seguros para as pessoas e para o meio ambiente do que os baseados em solventes orgânicos, que são compostos potencialmente inflamáveis e tóxicos. Entretanto, a aplicação de altas tensões em soluções aquosas gera a quebra da molécula de água.

"Nos eletrólitos de água em sal, o sal em demasia bloqueia essa quebra. Assim consegue-se trabalhar com tensões mais altas e ampliar a energia que fica armazenada no dispositivo," explicou o professor Hudson Zanin.

Usando técnicas in situ (aquelas que utilizam o próprio supercapacitor como amostra) e in operando (as que analisam o dispositivo enquanto ele está funcionando), os pesquisadores investigaram os efeitos da diminuição de temperatura nas propriedades do eletrólito e concluíram que, a -10 °C, a energia do supercapacitor aumenta significativamente.

Dessa forma, o supercapacitor de água em sal atingiu uma densidade energética semelhante à das baterias, com a vantagem de ter alta potência.

Embora não seja prática para uso em aparelhos portáteis, devido à temperatura muito baixa, esta pode ser uma alternativa às baterias de fluxo, usadas para armazenar a eletricidade gerada por fontes intermitentes, como a eólica e a solar. "Tudo que a gente quer hoje é um dispositivo que carregue muito rápido e armazene muita energia," comentou Zanin.

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