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Os ultracapacitores podem substituir as baterias em futuros veículos elétricos?

Os ultracapacitores podem substituir as baterias em futuros veículos elétricos?

Ultracapacitores são incríveis. Mas eles poderiam substituir as baterias de forma viável em futuros veículos elétricos?

Os ultracapacitores apresentam vantagens significativas em relação às baterias, afinal são muito mais leves, mais rápidos de carregar, mais seguros e não tóxicos. No entanto, existem algumas áreas onde as baterias podem limpar o chão com elas. Pelo menos por enquanto.

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Com as recentes aquisições de fabricantes de ultracapacitores por empresas como a Tesla, os ultracapacitores podem estar à beira de tirar as baterias como fonte de energia para carros elétricos.

O que é um ultracapacitor?

Ultracapacitores, também chamados de supercapacitores, capacitores de camada dupla ou capacitores eletroquímicos, são um tipo de sistema de armazenamento de energia que vem ganhando popularidade nos últimos anos. Eles podem ser vistos como um cruzamento entre um capacitor comum e uma bateria, mas são diferentes de ambos.

Ultracapacitores têm uma capacitância muito alta em comparação com suas alternativas tradicionais - daí o nome. Assim como uma bateria, as células ultracapacitoras têm um eletrodo positivo e um negativo separados por um eletrólito. Mas, ao contrário das baterias, os ultracapacitores armazenam energia eletrostaticamente (da mesma forma que um capacitor) em vez de quimicamente como uma bateria.

Os ultracapacitores também têm um separador dielétrico que divide o eletrólito - exatamente como um capacitor. Essa estrutura celular interna permite que os ultracapacitores tenham uma densidade de armazenamento de energia muito alta, especialmente quando comparados a um capacitor normal.

Os ultracapacitores armazenam menos energia do que uma bateria de tamanho semelhante. Mas eles são capazes de liberar sua energia muito mais rapidamente, pois a descarga não depende da ocorrência de uma reação química.

Outro grande benefício dos ultracapacitores é que eles podem ser recarregados um grande número de vezes com pouca ou nenhuma degradação (em excesso de 1 milhão ciclos de carga / descarga não são incomuns). Isso ocorre porque nenhuma mudança física ou química ocorre quando eles recarregam.

Por esse motivo, os supercapacitores são frequentemente usados ​​em aplicações que exigem muitos ciclos rápidos de carga / descarga, em vez de armazenamento de energia compacta de longo prazo, como booster packs e bancos de energia.

O material de eletrodo mais comumente usado para ultracapacitores é o carbono em várias formas, como carvão ativado, tecido de fibra de carbono, carbono derivado de carbono, aerogel de carbono, grafite (grafeno) e nanotubos de carbono (CNTs).

Como carregar um ultracapacitor?

Quando um diferencial de tensão é aplicado às placas positivas e negativas do capacitor, ele começa a carregar. De acordo com a Battery University, "isso é semelhante ao acúmulo de carga elétrica ao caminhar sobre um tapete. Tocar em um objeto libera a energia através do dedo."

Alguns dos primeiros exemplos dessa tecnologia foram desenvolvidos no final da década de 1950 na General Electric, mas não havia aplicações comerciais viáveis ​​na época. Demoraria até a década de 1990 para que os avanços na ciência dos materiais e na fabricação melhorassem o desempenho dos ultracapacitores e reduzissem seu custo o suficiente para torná-los comercialmente viáveis.

Como funcionam os ultracapacitores?

Conforme mencionado acima, os ultracapacitores funcionam fornecendo explosões rápidas de energia durante os períodos de pico de demanda de energia e, em seguida, capturam e armazenam rapidamente o excesso de energia que, de outra forma, poderia ser perdida.

Por este motivo, são um grande complemento para as fontes de energia primária, pois carregam e descarregam de forma muito rápida e eficiente.

Embora as baterias possam conter uma grande quantidade de energia, elas tendem a demorar horas para recarregar. Em contraste, os capacitores, e especialmente os ultracapacitores, carregam quase instantaneamente, mas podem armazenar apenas pequenas quantidades de energia.

Por esse motivo, os ultracapacitores são a solução perfeita quando um sistema precisa ser carregado rapidamente e não precisa armazenar eletricidade por longos períodos. Eles também pesam menos do que baterias, custam menos e geralmente não contêm metais tóxicos ou materiais nocivos.

Os ultracapacitores podem substituir as baterias?

A resposta a esta pergunta depende muito de para que eles serão usados. Há vantagens e desvantagens para cada um. Como mencionado anteriormente, as baterias têm uma capacidade muito maior energia densidade do que ultracapacitores.

Isso significa que eles são mais adequados para aplicações de alta densidade de energia ou quando um dispositivo precisa funcionar por longos períodos com uma única carga. Ultracapacitores têm um muito maior poder densidade do que as baterias. Isso os torna ideais para aplicações de alto consumo, como alimentar um veículo elétrico.

Como mencionado acima, os ultracapacitores também têm uma vida útil muito mais longa do que as baterias. Uma bateria normal pode lidar com 2000-3000 ciclos de carga e descarga, enquanto os ultracapacitores geralmente podem sustentar mais do que 1,000,000. Isso pode representar uma grande economia em materiais e custos.

Os ultracapacitores também são muito mais seguros e consideravelmente menos tóxicos. Eles não contêm produtos químicos prejudiciais ou metais pesados ​​e têm muito menos probabilidade de explodir do que as baterias.

Além disso, os ultracapacitores têm uma faixa operacional muito maior do que as baterias. Na verdade, eles superam as baterias nesta área, pois podem operar em intervalos entre -40 a +65 graus Celsius.

Os ultracapacitores também podem ser carregados e descarregados muito mais rapidamente do que as baterias, geralmente em segundos, e são muito mais eficientes na autodescarga do que as baterias.

Muitos ultracapacitores também têm uma vida útil muito mais longa do que as baterias. Algumas, como as células SkelCap, podem ser armazenadas enquanto 15 anos de cada vez, com pouco ou nenhum declínio na capacidade.

Como acontece com a maioria das tecnologias, o principal fator para a aplicação de ultracapacitores é sua relação custo-benefício. Ultracapacitores tendem a ser a escolha mais econômica em longo prazo para aplicações que precisam de pequenas explosões de energia.

As baterias, entretanto, são uma escolha muito melhor para aplicações que requerem uma corrente baixa e constante ao longo do tempo.

Os ultracapacitores podem substituir as baterias nos futuros carros elétricos?

Como vimos, os ultracapacitores são mais adequados para situações em que é necessária muita energia em um curto espaço de tempo. Em termos de carros elétricos, isso significaria que eles teriam vantagens sobre as baterias quando o veículo precisar de picos de energia - como durante a aceleração.

Na verdade, isso é exatamente o que a Toyota fez com o carro-conceito Yaris Hybrid-R, que utiliza um supercapacitor para uso durante a aceleração.

PSA Peugeot Citroen também começou a empregar ultracapacitores como parte de seus sistemas de economia de combustível start-stop. Isso permite uma aceleração inicial muito mais rápida.

O sistema i-ELOOP da Mazda também usa ultracapacitores para armazenar energia durante a desaceleração. A energia armazenada é então usada para os sistemas de partida e parada do motor.

Os supercapacitores também são usados ​​para carregar rapidamente as fontes de alimentação em ônibus híbridos à medida que vão de uma parada a outra.

Quando a energia híbrida é usada exclusivamente para desempenho, questões como alcance e capacidade de manter a carga não são tão importantes - e por isso alguns fabricantes de ponta, como a Lamborghini, também estão começando a incorporar e-motores movidos a supercapacitor em seus híbridos .

No entanto, ultracapacitores não são um substituto para baterias na maioria dos veículos elétricos - ainda. As baterias de íon-lítio provavelmente serão a fonte de alimentação para EVs em um futuro próximo ou distante.

Muitos acreditam que é mais provável que os ultracapacitores se tornem mais comuns como sistemas de regeneração de energia durante a desaceleração. Essa energia armazenada pode então ser reutilizada durante os períodos de aceleração, em vez de substituições diretas das baterias.

No entanto, de acordo com este estudo, eles também poderiam ter aplicações em veículos híbridos no lugar de baterias quando, "a demanda de potência for menor que a capacidade de potência do motor elétrico; quando a demanda de potência do veículo exceder a do motor elétrico, o motor é operado para atender à demanda de energia do veículo, além de fornecer energia para recarregar a unidade do supercapacitor. "

Pesquisas recentes sobre supercapacitores baseados em grafeno também podem levar a avanços no uso de supercapacitores em carros elétricos. Um estudo realizado por cientistas da Rice University e da Queensland University of Technology resultou em dois artigos, publicados noJournal of Power Sources eNanotecnologia.

Eles propuseram uma solução composta por duas camadas de grafeno, com uma camada de eletrólito entre elas. O filme resultante é forte, fino e capaz de liberar grandes quantidades de energia em um curto espaço de tempo.

Esses fatores são dados - é um supercapacitor, afinal. O que torna este estudo diferente é que os pesquisadores sugerem que os novos ultracapacitores mais finos poderiam substituir baterias mais volumosas em futuros veículos elétricos.

Isso também pode incluir a integração dos ultracapacitores nos painéis da carroceria, painéis do telhado, pisos e até portas, por exemplo. Em teoria, isso poderia fornecer ao veículo toda a energia de que necessita e torná-lo consideravelmente mais leve do que os veículos elétricos movidos a bateria.

Esse EV também carregaria consideravelmente mais rápido do que os veículos atuais movidos a bateria. Mas, como todos os ultracapacitores, essa solução ainda não consegue armazenar tanta energia quanto as baterias padrão.

"No futuro, espera-se que o supercapacitor seja desenvolvido para armazenar mais energia do que uma bateria de íons de lítio, mantendo a capacidade de liberar sua energia até 10 vezes mais rápido - o que significa que o carro poderia ser inteiramente movido pelos supercapacitores em seus painéis de carroceria ”, disse o co-autor do estudo Jinzhang Liu.

"Depois de uma carga completa, este carro deve ser capaz de rodar até 500km (310 milhas) - semelhante a um carro movido a gasolina e mais do que o dobro do limite de corrente de um carro elétrico. ”

Parece que temos tempos interessantes à frente. Assista esse espaço.


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