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REVOLUÇÃO NA SOLUÇÃO HIBRIDA SUPERCONDENSADORES-BATERIAS



MAIS PODER E AUTONOMIA PARA OS CARROS ELÉTRICOS NUMA VERSÃO QUE JUNTA A RESISTENCIA DA TARTARUGA COM A VELOCIDADE DA LEBRE.


Quando se começa a acelerar, alguns veículos elétricos dependem não apenas de uma bateria para fornecer a potência necessária, mas também de uma segunda fonte de energia chamada supercapacitor ou supercondensador. A bateria serve como um corredor de maratona, fornecendo uma descarga constante numa longa distância. O supercapacitor é um velocista, liberando uma grande quantidade de energia rapidamente.


A descarga rápida não é a única vantagem que os supercapacitores trazem. Eles também podem ser recarregados mais rapidamente. Isso os torna particularmente úteis em sistemas de travagem regenerativa, uma vez que são capazes de absorver mais eletricidade, produzida quando um veículo desacelera.

Este supercapacitores podem, entretanto, armazenar apenas uma fração da quantidade de energia que uma bateria tradicional armazena, portanto, logo ficam sem fôlego. Por causa disso, os engenheiros estão a tentar já há algum tempo hibridizar as melhores partes de um supercapacitor com os recursos mais úteis de uma bateria, para fazer um dispositivo de armazenamento com velocidade e resistência. E agora estão tendo algum sucesso. Na verdade, NawaTechnologies, perto de Aix-en-Provence, França, afirma que a sua bateria semelhante a um supercapacitor pode mais do que duplicar o alcance de um carro elétrico, permitindo que ele seja dirigido por 1.000 km com uma única carga. Este novo dispositivo também pode, segundo a Nawa, ser recarregado até 80% de sua capacidade em apenas cinco minutos.


A ciência que está por trás desta solução


Os condensadores e as baterias funcionam de maneiras diferentes, então combiná-los é complicado. Um condensador armazena energia fisicamente, na forma de eletricidade estática. Isto é fácil e rapidamente descarregado, então os condensadores têm uma boa densidade de potência (a taxa na qual eles transferem energia, por unidade de peso). Um supercapacitor/supercondensador moderno decente tem uma densidade de potência de vários quilowatts por quilograma.


As baterias armazenam a sua energia quimicamente, na forma de substâncias reativas em seus dois elétrodos. Esses elétrodos são mantidos fisicamente separados, mas são conectados por um material chamado eletrólito por meio do qual átomos carregados, conhecidos como íons, podem passar de um para o outro, a fim de permitir que a reação prossiga. Isso, porém, só acontece quando o fluxo de íons é equilibrado por um fluxo de eletrões através de um circuito externo entre os elétrodos. Esse fluxo de eletrões é a corrente elétrica que é a razão da existência da bateria.


Controladas dessa forma, as reações químicas demoram, por isso as baterias têm baixa densidade de energia. Uma bateria de íon de lítio (Li-ion) do tipo usado nos carros elétricos poderia, portanto, reunir apenas um décimo de um quilowatt por quilograma. Mas os produtos químicos podem reter muita energia, então as baterias têm alta densidade de energia (a quantidade de energia que podem conter, novamente por unidade de peso). Uma bateria de íon de lítio pode armazenar 200-300 watts-hora por quilograma (wh/kg). Os supercapacitores geralmente utilizam menos de 10 wh/kg.

Os condensadores, por outro lado, sejam básicos ou “super”, consistem num par de placas eletricamente condutoras colocadas de cada lado de um material separador. Quando uma voltagem é aplicada a essas placas, uma carga positiva acumula-se na superfície de uma e uma carga negativa correspondente na outra. Ligando as placas através de um circuito externo, como acontece com uma bateria, e uma corrente de energia fluirá.

Dar o salto de um condensador básico para a supervariedade envolve duas coisas. Uma é revestir as placas com um material poroso, como carvão ativado, para aumentar a área de superfície disponível para armazenamento de energia. A outra é embebê-los num eletrólito. Isso cria ainda mais área de armazenamento na forma do limite do eletrólito com as placas. Mas adicionar um eletrólito à mistura também traz a possibilidade de adicionar um pouco de eletroquímica semelhante a uma bateria ao mesmo tempo. E a Skeleton Technologies, uma empresa de supercapacitores da Estônia, planeia fazer exatamente isso.



As Super Placas

A Skeleton já desenvolveu placas compostas do que chama de grafeno “curvo”, para uma nova linha de supercapacitores simples. O grafeno comum é uma única camada de átomos de carbono dispostos numa grade hexagonal e é altamente condutivo. A variedade curva de Skeleton consiste em folhas amassadas do material. O consequente aumento na área de superfície irá, é o que espera a empresa, empurrar a densidade de energia dos seus novos produtos para 10-15 wh/kg, uma boa fração do máximo teórico para um supercapacitor de 20-30 wh/kg.

Isso, porém, é apenas o começo do plano de Skeleton. Os engenheiros da empresa estão agora a trabalhar com o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha, para usar grafeno curvo no que chama de “SuperBattery”. Embora este permaneça basicamente um supercapacitor, armazenando a maior parte de sua carga electrostaticamente, o eletrólito, diz Sebastian Pohlmann, chefe de inovação da Skeleton, também fornecerá algum armazenamento de energia química. A empresa está a manter o silêncio sobre o eletrólito que usa e a química envolvida. “Não é comparável à química clássica de íons de lítio”, é tudo o que o Dr. Pohlmann afirma. Mas a consequência geral, afirma ele, será algo recarregável em 15 segundos e capaz de armazenar 60 wh/kg. A Skeleton pretende começar a produzir comercialmente em 2023.

Outros grupos também estão também a trabalhar em maneiras de adicionar armazenamento de energia química a um supercapacitor. Pesquisadores da Graz University of Technology, na Áustria, por exemplo, desenvolveram uma versão que tem os seus contatos elétricos revestidos de carbono e que é perfurado por minúsculos poros. Um contato opera como uma placa de capacitor, o outro como um eletrodo de bateria. Ao contrário da Skeleton, o grupo de Graz é aberto sobre sua abordagem à química de eletrólitos. Eles estão a usar o iodeto de sódio aquoso (ou seja, uma solução de íons de sódio e íons de iodo). No elétrodo, o iodeto transforma-se em iodo elementar, que se cristaliza dentro dos poros durante a descarga. Esse processo reverte-se quando o dispositivo está a carregar. Os poros da placa servem para acomodar íons de sódio de forma semelhante.

De acordo com um artigo publicado recentemente pelos seus inventores na Nature Communications , o desempenho da célula de Graz supera o de uma bateria de íon-lítio. É capaz, por exemplo, de suportar até 1 milhão de ciclos de carga e descarga, diz Qamar Abbas, membro da equipe. Pode-se esperar que um equivalente de íon-lítio consiga alguns milhares de ciclos.

Tanto o Skeleton quanto o grupo Graz estão a usar a arquitetura modificada do supercapacitor e a adicionar alguma eletroquímica personalizada. Em contraste, embora a oferta da Nawa Technologies também empregue placas de supercapacitor modificadas como elétrodos, ela usa ingredientes de íon de lítio testados e confiáveis ​​para o trabalho químico.

Assim como a Skeleton, a Nawa já fabrica supercapacitores. As placas para estes são criadas usando um processo que a empresa chama de vacnt (nanotubos de carbono alinhados verticalmente). Isso organiza esses tubos numa matriz que se assemelha, em miniatura, às cerdas de um pincel numa miniatura extrema. Um centímetro quadrado contém cerca de 100 bilhões deles, todos em posição de sentido. Isso aumenta muito a área de superfície disponível para manter uma carga elétrica.

Para adaptar as placas vacnt de forma a operar também como elétrodos semelhantes a baterias, os engenheiros da Nawa diluíram a floresta de nanotubos para abrir espaço para revestimentos de produtos químicos que as baterias empregam nas suas reações e também para o movimento de íons de lítio para dentro e para fora do espaços entre os tubos. Essa liberdade de movimento, avalia a empresa, aumentará a densidade de energia do arranjo por um fator de dez.


Para começar, os nanotubos do cátodo da invenção (o elétrodo positivo de uma bateria) serão revestidos com níquel, manganês e cobalto, mistura já amplamente utilizada na fabricação desses cátodos. Os ânodos convencionais (os eletrodos negativos) já são baseados em carbono, então usar esse elemento na forma de nanotubos não é uma grande mudança. Outros produtos químicos de bateria menos desenvolvidos comercialmente devem, no entanto, funcionar com eletrodos vacnt . Estes incluem lítio-enxofre e lítio-silício, ambos com potencial para aumentar as densidades de energia. O silício é particularmente promissor, mas incha ao absorver os íons e isso pode romper a bateria. O emaranhado de nanotubos num eletrodo vacnt deve operar como uma gaiola para manter o silício sob controle, diz Pascal Boulanger, um físico que ajudou a fundar a Nawa em 2013. O novo material do elétrodo também poderia ser usado com eletrólitos sólidos em vez de líquidos, para fazer Baterias de “estado sólido”. Eles são poderosos e robustos, mas estão a mostrar-se difíceis de se comercializar.


Motivação para trabalhar

Em testes com várias empresas de baterias não identificadas, o Dr. Boulanger diz que os elétrodos vacnt alcançaram uma densidade de energia de 500 wh / kg numa bateria e até 1.400 watts-hora por litro noutra. Isso é quase o dobro do que uma bateria de íon de lítio típica pode utilizar em termos de peso e volume, respectivamente. “Fizemos isso com muita facilidade”, acrescenta ele, “então acreditamos que há mais espaço para melhorias”.


Uma empresa com a qual a Nawa admite trabalhar é a Saft, uma grande fabricante de baterias da Total, um gigante do petróleo francesa que deseja diversificar a partir dos combustíveis fósseis. Entre os clientes da Saft estão várias equipes de Fórmula 1 que usam alguma energia elétrica nos seus carros de corrida. A Saft também associou.se ao grupo PSA, um grande fabricante europeu de automóveis, para fabricar baterias para veículos elétricos.

Naturalmente, o sucesso do novo dispositivo dependerá do custo de fabricação. a Nawa já está a construir uma linha de produção em massa para fabricar placas vacnt para os seus mais recentes supercapacitores. O processo usado, que desenvolve nanotubos em ambos os lados de um rolo de folha de alumínio, seria, diz Ulrik Grape, executivo-chefe da Nawa, transferido facilmente para uma linha de produção de bateria existente e pode até reduzir os custos de fabricação da bateria. Ele espera que as primeiras versões dos híbridos supercapacitor-bateria estejam em produção em 2023.

Resta saber se esse armazenamento híbrido será capaz de competir com os íons de lítio convencionais. As baterias de íon-lítio têm a vantagem de serem incumbentes, e os fabricantes de baterias investiram bilhões de dólares em enormes “gigafábricas” para produzi-las em massa. Mesmo assim, apesar de todo o entusiasmo em torno dos carros elétricos, as dúvidas sobre os íons de lítio permanecem na mente de muitos clientes. A ansiedade de alcance, a capacidade de recarga e o custo combinam-se para induzir a hesitação na compra. Misturar o tempero de um supercapacitor com a resistência de uma bateria pode superar pelo menos as duas primeiras dessas objeções e, assim, finalmente, lançar uma era de automobilismo elétrico despreocupado.


Créditos The Economist


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