Supercapacitores vs. Baterias: Qual é a Diferença?

Os supercapacitores existem desde a década de 1950, mas foi apenas nos últimos anos que seu potencial ficou claro. Vamos dar uma olhada nesses componentes de computador que armazenam energia como baterias, mas usam princípios completamente diferentes.

O que é um capacitor?

Antes de chegarmos aos supercapacitores, vale a pena explicar rapidamente o que é um capacitor regular para ajudar a demonstrar o que torna os supercapacitores especiais. Se você já olhou para uma placa-mãe de computador ou praticamente qualquer placa de circuito, você já viu esses componentes eletrônicos.

Um capacitor armazena eletricidade como um campo elétrico estático . Esta é a mesma coisa que acontece quando você anda sobre um tapete de meias e acumula uma carga elétrica, apenas para descarregá-la quando você toca a maçaneta da porta. Você estava agindo como um capacitor!

Dentro de um capacitor típico, você encontrará dois condutores separados por um material isolante. A carga positiva se acumula em um condutor e a carga negativa no outro. Assim, há um campo eletrostático entre as duas placas. Existem muitas maneiras diferentes de projetar um capacitor, mas todas elas têm os componentes básicos de duas placas de carga e um isolante (dielétrico). O isolador pode ser ar, cerâmica, vidro, filme plástico. líquido, ou qualquer outra coisa que seja ruim em conduzir eletricidade.

Os capacitores têm muitos usos na eletrônica. Em computadores e outros sistemas digitais, eles garantem que as informações não sejam perdidas se houver uma perda momentânea de energia. Eles também atuam como filtros para limpar surtos elétricos que podem danificar eletrônicos sensíveis.

Como capacitores e baterias diferem

Capacitores e baterias são semelhantes no sentido de que podem armazenar energia elétrica e liberá-la quando necessário. A grande diferença é que os capacitores armazenam energia como um campo eletrostático, enquanto as baterias usam uma reação química para armazenar e depois liberar energia.

Dentro de uma bateria há dois terminais (o ânodo e o cátodo) com um eletrólito entre eles. Um eletrólito é uma substância (geralmente um líquido) que continha íons. Íons são átomos ou moléculas com carga elétrica.

Há também um separador dentro do eletrólito que permite apenas a passagem de íons. Quando você carrega a bateria, os íons se movem de um lado do separador para o outro. Quando você descarrega a bateria acontece o contrário. O movimento de íons armazena quimicamente eletricidade ou transforma essa energia química armazenada de volta em corrente elétrica.

Capacitor vs. Supercapacitor

Os supercapacitores também são conhecidos como  ultracapacitores  ou  capacitores de camada dupla . A principal diferença entre supercapacitores e capacitores regulares é a capacitância. Isso significa apenas que os supercapacitores podem armazenar um campo elétrico muito maior do que os capacitores comuns.

Neste diagrama, você pode ver outra grande diferença quando se trata de supercapacitores. Como uma bateria (e ao contrário de um capacitor tradicional), um supercapacitor possui um eletrólito. Isso significa que ele usa princípios de armazenamento eletrostático e eletroquímico para manter uma carga elétrica.

Esta é uma simplificação grosseira, e os aspectos realmente técnicos disso levariam muito mais tempo para serem explicados. A coisa mais importante a saber sobre os supercapacitores é que eles oferecem as mesmas características gerais dos capacitores, mas podem fornecer muitas vezes o armazenamento de energia e a entrega de energia do design clássico.

Os prós e contras dos supercapacitores

Os supercapacitores oferecem muitas vantagens sobre, por exemplo, baterias de íon-lítio. Os supercapacitores podem carregar muito mais rapidamente do que as baterias. O processo eletroquímico cria calor e, portanto , o carregamento deve ocorrer a uma taxa segura para evitar falhas catastróficas da bateria. Os supercapacitores também podem fornecer sua energia armazenada muito mais rapidamente do que uma bateria eletroquímica, pelo mesmo motivo. Se a bateria descarregar muito rapidamente, também pode levar a falhas catastróficas.

Os supercapacitores também são muito mais duráveis ​​que as baterias, em particular as baterias de íons de lítio. Enquanto as baterias que você encontra em telefones, laptops e carros elétricos começam a se desgastar após algumas centenas de ciclos de carga, os supercapacitores podem ser carregados e esvaziados mais de um milhão de vezes sem degradação. O mesmo vale para a entrega de tensão. Uma bateria de 12V pode fornecer apenas 11,4V em alguns anos, mas um supercapacitor fornecerá a mesma tensão após mais de uma década de uso.

A maior desvantagem em comparação com as baterias de íons de lítio é que os supercapacitores não podem descarregar sua energia armazenada tão lentamente quanto uma bateria de íons de lítio, o que a torna inadequada para aplicações em que um dispositivo precisa ficar longos períodos sem carregar.

Portanto, como as coisas estão no momento da escrita, os supercapacitores não são um substituto imediato para baterias de íons de lítio ou outras tecnologias de bateria, mas há um número crescente de trabalhos para os quais os supercapacitores são perfeitos.

Produtos de supercapacitores

Você provavelmente já usou produtos que contêm supercapacitores e nem sabia disso. Os primeiros supercapacitores foram criados na década de 1950 por um engenheiro da General Electric chamado Howard Becker. Em 1978, a NEC cunhou o nome “supercapacitor” e usou o dispositivo como forma de backup de energia para a memória do computador.

Hoje você os encontrará em laptops , unidades de GPS, computadores de mão, flashes de câmeras e muitos outros dispositivos eletrônicos. O Coleman FlashCell  usou um supercapacitor em vez de uma bateria. Isso significava que ele funcionava com metade do tempo de um modelo tradicional alimentado por bateria, mas carregava em 90 segundos em vez de horas.

Da mesma forma, a S-Pen no Samsung Galaxy Note 9 usava um supercapacitor para alimentar as funções sem fio da caneta. A energia acabaria em alguns minutos de uso pesado ou após 30 segundos de tempo de espera, mas leva apenas 40 segundos para enchê-la novamente.

Os supercapacitores também estão encontrando um lar no mundo dos veículos híbridos e elétricos . Eles são perfeitos para capturar e liberar a potência da frenagem regenerativa, que é uma carga dinâmica de curto prazo. Veículos como ônibus de transporte público ou bondes também são adequados para supercapacitores. Eles só precisam de energia suficiente para chegar à próxima parada, onde serão carregados novamente em segundos ou minutos. Como os supercapacitores realmente não se desgastam, esse ciclo fixo de transporte público faz muito sentido para a tecnologia.

Os supercapacitores são o futuro do armazenamento de energia?

Com o andamento da pesquisa sobre supercapacitores, parece provável que um dia tenhamos baterias de supercapacitores. Seriam dispositivos que teriam a durabilidade e velocidade dos supercapacitores, mas com a densidade energética e o longo tempo de operação das baterias. Em 2016, cientistas da Universidade da Flórida Central criaram um protótipo  de supercapacitor flexível com uma densidade de energia mais alta que os supercapacitores atuais e um ciclo de carga de 30.000 sem degradação.

Novos materiais em nanoescala e experimentos com grafeno apontam para a possibilidade de supercapacitores com densidades de energia muito mais altas. Mesmo que eles nunca correspondam às baterias de íons de lítio, uma quantidade utilizável de carga, juntamente com um tempo de recarga rápido, pode colocá-los em lugares onde as baterias atualmente desempenham um papel.

Então, novamente, existem outras tecnologias em competição com supercapacitores. A mais importante delas é a fabulosa bateria de estado sólido e as baterias tradicionais de íon de lítio recentemente infundidas com grafeno também se mostraram promissoras. Qualquer que seja a tecnologia de carregamento rápido , durável e densa em energia que vença a corrida, todos seremos vencedores.