Observando a Tabela 08-01 percebemos que, por enquanto, a bateria consegue ter uma energia específica maior que a do supercapacitor. Nos outros itens há uma superioridade por parte do supercapacitor. Devemos salientar a quantidade de cargas e descargas, bem como o tempo de carga que o supercapacitor apresenta superando em muito as baterias de íon-lítio. A amplitude térmica durante a carga e descarga de um supercapacitor o coloca em uma posição extremamente vantajosa em projetos que necessitem dessa característica. Também podemos destacar a eficiência e, principalmente, a potência específica. Essa característica permite que o supercapacitor possa entregar ao sistema uma grande quantidade de potência em um curto intervalo de tempo. E vice-versa. Pode, também, absorver grandes quantidades de potência do sistema para devolvê-la em um momento subsequente.

Essa última característica (citada acima) está sendo implementada em trens urbanos e suburbanos. Assim, quando o trem está se aproximando de uma estação de embarque/desembarque, ao diminuir sua velocidade, o trem entra em um regime de frenagem regenerativa, regime este que permite aos motores passarem a operar como gerador de energia. Esta energia é acumulada em supercapacitores. Quando o trem parte em direção à próxima estação, a energia acumulada nos supercapacitores é utilizada para auxiliar na aceleração do trem até atingir uma velocidade constante. Esse fornecimento extra de energia estabiliza a tensão na rede de alimentação dos trens, pois reduz de forma sensível a absorção de corrente da rede durante a partida do trem. Essa redução se dá graças ao fornecimento extra de corrente pelo supercapacitor.

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Um supercapacitor é constituído por dois eletrodos, um eletrólito e um separador que isola eletricamente os dois eletrodos. Os eletrodos podem ser do mesmo material ou de materiais diferentes. Quando os materiais são iguais, dizemos que o supercapacitor é simétrico. E quando os materiais forem diferentes, então denominam-se assimétricos.

O eletrodo é o elemento mais importante de um supercapacitor. O desempenho do supercapacitor é afetado pelas propriedades eletroquímicas dos materiais que o compõe, da escolha do eletrólito e da janela de potencial. Por isso, para produzir um supercapacitor com propriedades otimizadas é necessário que ele possua um intervalo de potencial elevado entre o catodo e o anodo, pois isso irá proporcionar uma maior densidade de energia. Assim, uma combinação adequada de catodo e anodo é de extrema importância para a fabricação de um supercapacitor com as propriedades citadas anteriormente.. Por esse motivo, vários materiais nanoestruturados à base de carbono, polímeros condutores e óxidos metálicos estão sendo implementados para fabricar os mais diversos tipos de supercapacitores.

O eletrólito é um líquido que possui uma mistura de íons positivos e negativos oriundos normalmente de um sal atóxico, solvatados por um solvente polar, como por exemplo, a água. Em cada superfície dos eletrodos origina-se uma área em que o eletrólito líquido faz contato com a superfície metálica condutiva do eletrodo, formando uma interface comum entre as duas diferentes fases da matéria. Tal interface comporta-se como um revestimento insolúvel do eletrodo e do eletrólito líquido adjacente, ocorrendo então um fenômeno muito especial que é a formação, ou efeito, da dupla camada.

O separador está situado entre os dois eletrodos e tem como caracerística principal ser permeável aos íons. É conhecido como separador elétrico ou membrana de separação elétrica.

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Supercapacitores de dupla camada elétrica usam eletrodos de carvão ativado, ou grafeno (que é uma das formas alotrópicas do carbono) que aumenta em muitas vezes a capacitância de dupla camada, pois a área específica chega a atingir centenas de metros quadrados por grama, apresentando muito maior capacitância que os capacitores que utilizam princípios eletroquímicos. Cabe salientar que este tipo de supercapacitor usa somente fenômenos físicos via eletrostática, não sendo envolvida qualquer mudança química no processo de carga e descarga.

A alta capacitância dos supercapacitores de dupla camada elétrica é obtida devido à ínfima distância existente entre a superfície da armadura fixa (superfície do carvão ativado ou do grafeno) e a camada eletrostática que é formada por íons envoltos por uma tênue camada do solvente, cuja espessura da camada de solvente é da ordem de décimos de nanômetros (tipicamente 0,3 a 0,8 nm), tornando assim, a espessura do dielétrico muitas vezes menor que a de um capacitor convencional.

Os supercapacitores utilizam a capacitância decorrente da separação de carga na interface eletrodo-eletrólito. Esse arranjo de cargas na interface origina a dupla camada elétrica. Um eletrodo polarizável é aquele onde não ocorre transferência de carga quando seu potencial é variado. Portanto, todo aumento de potencial leva a um aumento de capacitância de dupla camada elétrica. Se a área eletródica é aumentada através de poros, grandes quantidades de carga podem ser armazenadas em um supercapacitor.

Este tipo de supercapacitor possui um eletrodo positivo com deficiência em elétons, e outro negativo, com excesso de elétrons, ambos em contato com um eletrólito. Um separador permeável a íons é posicionado entre os eletrodos. Durante o carregamento, o eletrodo negativo atrai cátions, enquanto os ânions são acumulados pelo eletrodo carregado positivamente.

Para construção de um capacitor de dupla camada elétrica, o material dos eletrodos deve ser estável em relação à solução eletrolítica, portanto, processos faradaicos como oxidação, corrosão e formação de filme de óxido não devem ocorrer. Para isso, pesquisas buscam materiais eletródicos não corroentes, tais como o carvão ativado que apresenta ampla aplicação em capacitores eletroquímicos devido ao seu baixo custo, alta área específica e alta estabilidade para aplicações tecnológicas.

Na Figura 08-01 vemos um esquema interno de um supercapacitor do tipo dupla camada. Vemos os eletrodos com seu respectivo separador. Observe que os eletrodos são enrolados em forma cilíndrica, no comprimento determinado pelo projeto para se conseguir a capacitância especificada.

O processo eletroquímico acontece após a aplicação de uma diferença de potencial (ddp), onde ocorre um acúmulo de carga (polarização) nos eletrodos. Durante o processo de carga, os elétrons migram do eletrodo positivo para o eletrodo negativo, com isso, os íons presentes no eletrólito migram por difusão para os poros na superfície dos eletrodos com o propósito de manter o equilíbrio eletrostático do sistema. Para evitar a recombinação de íons nos eletrodos, a dupla camada de carga é formada. A dupla camada, combinada com a área superficial específica dos eletrodos, e com a diminuição da distância entre os eletrodos, permite que o mesmo atinja valores altos de densidade de energia.

Neste processo, um eletrodo negativamente carregado, observa-se na superfície do eletrodo moléculas de solvente adsorvidas pela interação dipolo-eletrodo. Nesta etapa podem estar também adsorvidos ânions de grande raio iônico e com baixa solvatação. O plano onde encontram centrados todos os íons adsorvidos especificamente é denominado plano interno de Helmholtz. O plano externo de Helmholtz corresponde a máxima aproximação dos íons solvatados que se encontram livres para deslocamento dentro do eletrólito.

A adsorção é a adesão de moléculas de um fluído (chamado de adsorvido) a uma superfície sólida (chamado adsorvente); o grau de adsorção depende da temperatura, pressão e da área da superfície que o eletrodo apresenta.

O primeiro modelo de dupla camada foi proposto por Helmholtz que investigou as propriedades entre um condutor eletrônico sólido e um líquido iônico condutor. Ele modelou essa interface usando duas distribuições interfaciais de cargas. A primeira é de natureza eletrônica, no lado do eletrodo, e a segunda de natureza iônica, de sinal oposto, no lado do eletrólito, como ilustrado no diagrama da Figura 08-02 a). Ressalta-se que neste diagrama as cargas eletrônicas no eletrodo estão representadas pelo símbolo “+”, e no eletrólito pelo símbolo “-” para o ânion ou “+” para o cátion, circundados por círculos indicando a solvatação. O modelo de Helmholtz não leva em conta a dependência da capacitância com a tensão.

Pensando nisso, Gouy e Chapman introduziram em 1.910 um modelo que adota o movimento térmico aleatório, e que considera a distribuição espacial de cargas iônicas no eletrólito. Essa distribuição de cargas ficou conhecida como camada difusa, representada na Figura 08-02 b). Em 1.924 Stern aperfeiçoou o modelo de Gouy e Chapman, introduzindo as dimensões dos íons e das moléculas do solvente, e dividindo a carga espacial em duas zonas distintas, conforme a Figura 08-02 c) : uma camada compacta, constituída de íons adsorvidos na superfície do eletrodo, e uma camada difusa como aquela definida por Gouy e Chapman.

Geralmente, a espessura da dupla camada elétrica é da ordem de 0,5 nm a 1 nm, o que resulta numa elevada capacitância, principalmente quando combinado com eletrodos porosos, os quais produzem um aumento muito grande na área efetiva de contato. Na Figura 08-03 mostra-se esboços de um capacitor de dupla camada, destacando seus principais elementos:

Ilustra-se também na Figura 08-03 um circuito elétrico simplificado para o capacitor de dupla camada, sendo representado por dois capacitores conectados em série.

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A pseudocapacitância trata-se de um mecanismo faradaico (transferência de carga elétrica entre o material ativo e o eletrólito) de armazenamento de carga baseado nas rápidas e reversíveis reações redox que ocorrem envolvendo materiais presentes no material eletroativo do eletrodo, como por exemplo: óxidos /sulfetos metálicos e polímeros condutores. A pseudocapacitância pode ocorrer por todo volume do eletrodo, permitindo uma capacitância absoluta maior do que o mecanismo da dupla camada elétrica que ocorre somente na superfície do eletrodo.

A pseudocapacitância de um material pode ser intrínseca ou extrínseca. No primeiro caso, os materiais possuem comportamento pseudocapacitivo para diferentes tipos de morfologias e tamanho de partículas. Já a pseudocapacitância extrínseca somente aparece sob severas condições, como por exemplo, materiais com dimensões nanométricas, enquanto que o mesmo comportamento não é observado no material do tipo bulk.

Quando um potencial é aplicado a um pseudocapacitor, ocorre o processo de redução e oxidação no material do eletrodo, envolvendo a passagem de carga através da dupla camada, resultando na passagem de corrente farádica pela célula do supercapacitor. O processo farádico envolvido nos supercapacitores permite que eles atinjam uma capacitância específica cerca de 10 - 100 vezes maior que os valores obtidos para os dispositivos de dupla camada elétrica.

Existe uma diferença fundamental entre o comportamento eletroquímico destes capacitores em relação ao de baterias. A forma como uma bateria e um capacitor eletroquímico armazenam energia química e a reverte em energia elétrica são diferentes. Pelo menos idealmente, o armazenamento de energia eletroquímica em um capacitor eletroquímico ocorre localmente numa região bidimensional, na interface eletrodo/eletrólito, através de reações rápidas e reversíveis, e, portanto, não envolvem mudanças de densidade no interior do eletrólito ou eletrodo. Já nas baterias, o armazenamento da energia eletroquímica envolve uma região no volume tridimensional, no interior do eletrólito e eletrodos, onde ocorrem mudanças de densidade através de reações químicas reversíveis, porém mais lentas. Por ocorrer numa interface e ter rápida reversibilidade, assemelhando-se muito a um armazenamento de energia eletrostática, o armazenamento de energia eletroquímico em capacitores eletroquímicos é denominado pseudocapacitância.

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Como vimos, os supercapacitores de dupla camada elétrica oferecem boas estabilidades cíclicas e bom desempenho de energia. Os supercapacitores pseudocapacitivos oferecem alta capacitância específica. No caso de um sistema híbrido, ele oferece uma combinação de ambos, isto é, combinando a fonte de energia do eletrodo do tipo bateria, com uma fonte de energia do eletrodo tipo capacitor na mesma célula. Com uma combinação correta de eletrodos, é possível aumentar o potencial da célula, o que leva a uma melhoria nas densidades de energia e potência do sistema.

A chave para que o sistema se comporte como um supercapacitor, independente do mecanismo no qual opera, consiste na natureza do material utilizado como eletrodo. São relatados na literatura diversos materiais que podem ser utilizados como eletrodos como por exemplo: óxidos metálicos (RuO₂, NiO, MnO, Co₃O₄), sulfetos metálicos, materiais a base de carbono (Grafeno, Nanotubos de Carbono, Carvão Ativado, Carbono mesoporos), e nanocompósitos. Dos materiais utilizados como eletrodos, os materiais a base de carbono, como o grafeno, são os mais utilizados

Na Figura 08-04 vemos uma típica ilustração de um capacitor híbrido usando como um dos eletrodos um composto formado pela dopagem dos íons de lítio com grafite. Isso faz com que a tensão do supercapacitor se iguale a tensão da bateria de lítio, melhorando significativamente a densidade de energia do supercapacitor. A companhia EATON já fabrica supercapacitores com uma tensão de trabalho de 3,8 V, tensão compatível com as baterias de lítio. Além disso, sua temperatuira de trabalho pode chegar a + 85° C.

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As principais características que um eletrodo deve ter, para um supercapacitor de dupla camada, são uma área superficial elevada e uma boa condutividade (ou baixa resistividade). Um dos primeiros materiais a ser empregado em eletrodos de supercapacitores foi o carbono ativado e ainda é o mais utilizado comercialmente devido as boas características citadas anteriormente. Além disso possui baixo custo quando comparado com outros materiais. Vamos analisar alguns tipos de materiais que podem ser usados como eletrodos.

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O carbono ativado consiste em partículas com poros que proporciona elevada área superficial podendo chegar a 2.500 m²/g, área esta medida por adsorção de nitrogênio. O carbono ativado tem sido produzido a partir de materiais carbonáceos como bambu, casca de coco, madeira, etc ... A matéria prima mais utilizada para aplicações com alta área superficial é a casca de coco. Ela é pirolisada ao ser aquecida em uma atmosfera inerte com temperatura variando de 600° C até 900° C, produzindo um carvão vegetal.

A seguir, é realizado o processo de ativação ao levar esse carvão a um forno de alta temperatura (600 - 1.200° C) na presença controlada de vapor de água ou oxigênio. Como resultado, os poros se abrem nas partículas conforme o carvão reage com oxigênio, seguido da produçao de CO₂. A maioria dos poros do carvão ativado possuem aberturas menores que 2 nm, sendo classificados como microporos. Porém, também apresentam uma minoria de mesoporos com aberturas de 2 nm a 50 nm. Como o carbono ativado consiste em partículas soltas, para a fabricação de eletrodos é necessário utilizar um aglomerante que una mecanicamente essas partículas. Para aumentar a condutividade entre partículas e diminuir a resistência geral do eletrodo é utilizada na mistura partículas de negro fumo. Após o preparo da mistura ela é depositada em uma folha de metal, conhecida como coletor, que faz a conexão elétrica entre o eletrodo e o mundo externo.

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O silício poroso é um material obtido a partir do silício monocristalino, composto de poros que se assemelham a poços cilíndricos que se estendem perpendicularmente à superfície do substrato de silício, cuja profundidade determina a espessura da camada.

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O avanço científico e tecnológico empregado no estudo dos compostos de carbono ocasionou a descoberta de uma importante forma alotrópica designada nanotubos de carbono (NTC). Eles foram observados por Sumio Ijima em 1.991, com o auxílio da técnica MIT (microscopia eletrônica de transmissão). Desde o seu descobrimento, os nanotubos de carbono vêm sendo alvo de intensa investigação, tanto do ponto de vista da ciência básica quanto de aplicações para o desenvolvimento de novas tecnologias.

Os nanotubos de carbono são cilindros longos formados por átomos de carbono covalentemente ligados a outros três, formando uma estrutura hexagonal com hibridação sp², semelhante à observada nas folhas de grafeno constituintes do grafite. Do ponto de vista estrutural, existem dois tipos básicos de NTCs: os de parede simples, ou seja, formados pelo enrolamento de uma única folha de grafeno (conhecidos como SWCNT, do inglês single-walled carbon nanotubes) e os de paredes múltiplas, nos quais várias folhas de grafeno se enrolam de forma concêntrica (conhecidos como MWCNT, do inglês multi-walled carbon nanotubes), o que também inclui a formação de nanotubos de carbono de parede dupla (DWCNT). O MWCNT é formado por vários cilindros de grafeno enrolados ao longo do eixo central com separação intercamadas de aproximadamente 0,34 nm, indicativa do espaçamento interplanar do grafite. A Figura 08.05 mostra a estrutura de nanotubos do tipo de parede simples e múltiplas paredes.

Os nanotubos de carbono podem ser considerados como uma folha única de grafeno enrolada ao longo de um eixo característico na forma de cilindro. O eixo no qual as folhas se enrolam é responsável pela quiralidade dos nanotubos de carbono. Este eixo é definido por vetores posicionados na célula unitária do nanotubo e o enrolamento pode se dar de diferentes formas, originando três possíveis classificações de quiralidade para os nanotubos de carbono: zigzag, armchair e quiral.

Entenda-se por quiralidade a propriedade de uma molécula ou íon de não conseguir ser sobreposto à sua imagem especular por qualquer combinações de rotação, translação ou algumas mudanças conformacionais.

Nanotubos de carbono de parede simples possuem diâmetro da ordem de 1 nm e tem despertado a atenção dos pesquisadores devido às suas propriedades mecânicas e elétricas excepcionais. Eles podem ser metálicos ou semicondutores, possuem módulo de Young entre 640 GPa e 1 TPa, resistência à tração de 150-180 GPa e condutividade térmica teórica de 6.000 W/mK.

No campo do armazenamento, conversão e transmissão de energia elétrica os nanotubos de carbono também estão sendo amplamente utilizados. Os nanotubos de paredes múltiplas estão sendo usados em baterias de íons lítio misturados aos materiais do cátodo e do ânodo, aumentando a condutividade elétrica e a resistência mecânica, o que implica em um aumento no ciclo de vida das baterias. Também têm sido aplicados, tanto puros quanto em compósitos, em materiais de eletrodos para supercapacitores, incluindo dispositivos flexíveis de altíssimo desempenho.

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O grafeno, mais um dos alótropos do carbono, é uma monocamada planar de átomos de carbono hibridizados em sp² e dispostos em estrutura hexagonal, ou seja, ele pode ser entendido como uma única folha de grafite separada de sua estrutura tridimensional. O termo grafite deve ser usado em referência a uma estrutura de folhas de grafeno empilhadas em um arranjo tridimensional.

O grafeno tem sido considerado como um dos materiais mais promissores para eletrodos em dispositivos eletroquímicos. Vários trabalhos na literatura tem proposto o uso do grafeno para a fabricação de eletrodos sugerindo que esta classe de material pode, em pouco tempo, complementar os avanços tecnológicos atingidos pelos nanotubos de carbono.

Um método de síntese reprodutível para a obtenção de grafeno é através de exfoliação mecânica. Esta técnica tem sido muito usada, porém muitos esforços têm sido feitos para o desenvolvimento de novas rotas de processamento que possibilitem a obtenção eficiente de grafeno em larga escala. Atualmente, três métodos principais de síntese são utilizados, sendo um método físico, um método químico e o terceiro, por deposição química a vapor.

A vantagem do uso de nanomateriais de carbono está na versatilidade que apresentam em propriedades estruturais e texturais, além da alta condutividade elétrica, baixos valores de densidade e elevada compatibilidade com outros materiais.

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Os eletrólitos são líquidos iônicos que consistem de um diverso grupo de sais que se encontram na fase líquida à temperatura ambiente. Eles podem ser compostos de um grande número de cátions e ânions com um número estimado de possibilidades da ordem de 10¹⁸, o que torna essa classe de compostos uma das mais abrangentes conhecidas na Química. Diversos sinônimos são encontrados como referência aos líquidos iônicos, tais como sais fundidos a temperatura ambiente, sais fundidos a baixa temperatura, sais orgânicos fundidos e podem desta forma ser utilizados na busca de informações sobre estas substâncias na literatura. Suas propriedades físico-químicas são muito similares a de sais fundidos a alta temperatura, porém aspectos práticos de manipulação são suficientes para manter o mérito da distinção. O termo líquido iônico é frequentemente estendido a sais que tem pontos de fusão abaixo de 100 °C e permanecem líquidos em um considerável intervalo de temperatura. Este comportamento é possível, uma vez que os líquidos iônicos são formados pela combinação de um cátion volumoso e assimétrico com um ânion fracamente coordenante, o que causa uma redução na interação entre eles e na energia de rede do sal.

Estes eletrólitos reúnem um conjunto de características muito interessantes, tais como boa estabilidade química e térmica, pressão de vapor negligenciável, elevadas densidades, são líquidos sob uma ampla faixa de temperatura, inflamabilidade desprezível, baixa toxicidade, alta condutividade iônica e ampla janela eletroquímica de potencial. No entanto, o conhecimento sobre suas propriedades físicas e químicas é ainda limitado e o grande número de diferentes combinações de cátions e ânions intensifica ainda mais o problema.

Devemos ter um eletrólito que seja quimicamente inerte a fim de não atacar quimicamente os materiais do supercapacitor, permitindo longa vida e estabilidade aos parãmetros elétricos do supercapacitor. O eletrólito também deve possuir uma baixa viscosidade para permitir que os íons permeiem os poros do eletrodo.

Como a energia contida nos capacitores aumenta com o quadrado do potencial, pesquisadores procuram uma forma de aumentar o valor do potencial de ruptura do eletrólito.

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O separador elétrico, ou seja, a membrana de separação elétrica, proporciona uma separação física entre os eletrodos para evitar curtos circuitos devido ao contato direto entre os mesmos. Ele deve ser muito fino, da ordem de alguns milésimos de milímetros e, naturalmente, deve possuir uma grande porosidade para permitir a fácil passagem dos íons solvatados e, assim, reduzir a resistência em série equivalente. Os separadores elétricos também devem ser quimicamente inertes para preservar a estabilidade dos eletrodos e a condição de condutividade. Para reduzir os custos de processo de fabricação utiliza-se papel como separador elétrico em alguns modelos de supercapacitores.

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    8.1   Capacitância

Os supercapacitores têm sua capacitância dada pela eq. 08-01.

Onde as variáveis são:

Assim, a chamada capacitância específica de um supercapacitor, que é definida como a capacitância por unidade de área ou volume, é centenas de milhares de vezes maior do que a capacitância específica de capacitores eletrostáticos e eletrolíticos. Isso devido à separação existente entre as cargas no supercapacitor que é da ordem de décimos de nanômetros.

Para o cálculo da capacitância é possível outra abordagem sabendo que ela depende da carga e da tensão sobre o capacitor. Assim, a eq. 08-02 apresenta essa relação.

Essa equação expressa o valor da capacitância conhecendo a corrente de carga do capacitor e o tempo que decorre até a tensão sobre o capacitor variar ΔV.

Por outro lado, sabemos que o material que é usado nos eletrodos deve apresentar alta porosidade, formado por microporos, como se fosse um material esponjoso, já que essa característica proporciona alta área superficial específica, permitindo se conseguir alta capacitância específica. Como vimos anteriormente, carvão ativado e grafeno são os materiais mais utilizados na fabricação de supercapacitores. Dessa forma, podemos concluir que se desejarmos um supercapacitor com grande densidade de energia, usamos material que possua pequenos microporos. Caso contrário, ou seja, desejamos alta densidade de potência, então optamos por materiais que possuam microporos maiores, pois assim reduzimos a resistência em série equivalente do supercapacitor.

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    8.2   Densidade de Potência

O parâmetro limitande da potência que um supercapacitor pode fornecer a um circuito é a resistência em série equivalente. Podemos calcular qual é essa potência utilizando o teorema da máxima transferência de potência (recorde esse teorema em Teorema da Máxima Transferência de Potência ). Aplicando o teorema calculamos que a potência máxima entregue é dada pela eq. 08-03.

No mercado eletrônico encontramos supercapacitores de 220 F que apresentam uma resistência interna de 40 miliohms e uma tensão de ruptura de 2,7 V. Neste caso, empregando a eq. 08-03, calculamos que a potência máxima que o supercapacitor pode fornecer ao circuito é de 45,5 W.

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    8.3   Característica de Carga e Descarga em um

Os supercapacitores de dupla camada quando estão sob a ação de uma descarga, apresentam uma contínua queda de tensão de forma linear. Isso pode acarretar alguns problemas em algumas aplicações. Suponha um dispositivo que necessita de uma tensão estável para funcionar corretamente. Um supercapacitor de dupla camada não atende essa especificação. Neste caso, haveria necessidade do uso de um conversor CC-CC. Um conversor CC-CC é um dispositivo que permite que a tensão de entrada possa variar dentro de determinados limites e mantém a tensão de saída estável.

No caso de uma bateria de íon-lítio, ela possui a capacidade de manter uma tensão estável em sua saída sob diferentes níveis de consumo do equipamento que está alimentando. Esse diferencial beneficia o uso de tais baterias em detrimento dos supercapacitores. Para ficar mais claro essa característica, a Figura 08-06 ilustra o comportamento de um supercapacitor de dupla camada e de baterias de lítio quando sob carga.

Observe como a bateria de íon-lítio mantém uma tensão quase constante enquanto fornece energia ao dispositivo. Quando há o esgotamento da energia, a tensão decai abruptamente. Neste caso, há necessidade de recarregar a bateria.

No entanto, esta realidade é um pouco diferente quando se trata dos supercapacitores híbridos. Como os supercapacitores híbridos são uma mescla de supercapacitor de dupla camada com o supercapacitor eletroquímico, ele possui uma capacidade de manter uma tensão estável por um determinado tempo enquanto alimenta o circuito. Semelhante às baterias de íon-lítio. A Figura 08-07 ilustra esse comportamento.

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Após tudo que foi visto até aqui vamos estudar de que forma podemos aplicar todas as vantagens que o supercapacitor oferece. Devemos ter em mente que o supercapacitor tem como melhor característica a densidade de potência, além da alta capacidade de armazenar energia. Assim, várias tecnologias podem aproveitar essas ótimas características. Vamos estudar algumas delas.

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    9.1   Desenvolvimento do Carro Elétrico

Não é de hoje que há um desejo em se desenvolver uma tecnologia satisfatória para que os automóveis possam ter um motor elétrico como elemento propulsor. A fonte de energia para os motores elétricos é limpa e inesgotável, contrariamente aos combustíveis fósseis que possuem data para seu esgotamento. Além disso, há uma grande expectativa que os combustíveis fósseis alcancem um preço exorbitante quando próximo de seu esgotamento.

A resposta para este dilema está exatamente na tecnologia. A possibilidade de produzir energia elétrica a custo cada vez menor, limpa e renovável, é um potencial fantástico para diminuir o custo de abastecer um veículo. Há também uma vantagem em função da eficiência que o carro elétrico possui transformando energia elétrica em energia mecânica. Praticamente toda a energia disponível é convertida em potência mecânica.

Para conseguir fabricar carros elétricos com a mesma capacidade e autonomia dos carros a combustíveis fósseis, várias abordagens estão sendo testadas pelas empresas neste momento de transição. Hoje, utilizando motores elétricos, existem quatro tipos de carros que podemos descrever:

Com o desenvolvimento dos supercapacitores podemos adicionar o quinto modelo de carro elétrico: o carro elétrico com supercapacitores. A grande vantagem do uso de supercapacitores é sua ótima densidade de potência, característica muito importante durante a partida de um veículo quando se necessita de grande potência para acelerar o mesmo.

Na Figura 08-09 vemos um protótipo de um carro elétrico usando somente supercapacitores idealizado na tese de doutorado na Universidade de Tóquio, em 2008. Foi usado um capacitor de 1.000 F permitindo que o veículo possa ser usado durante 20 minutos atingindo uma velocidade de 50 Km/h. O mais interessante é o tempo de recarga do supercapacitor que necessita de apenas 20 segundos para adquirir carga total.

Muitos fabricantes de automóveis estão aderindo ao uso de supercapacitores, não só para dar partida, mas também distribuindo vários supercapacitores pelo corpo do carro para atender as necessidades de faróis, sinaleiras, rádios, etc ...

Um desses fabricantes é a Lamborghini que lançou seu modelo Sian, conforme podemos ver na Figura 08-10. Este é um modelo híbrido, porém não utiliza qualquer tipo de bateria. Só supercapacitores. E a tendência, conforme a empresa, é substituir as baterias por supercapacitores em todos seus modelos em um curto espaço de tempo.

Assim, espera-se que com o avanço na tecnologia de fabricação dos supercapacitores possamos em um futuro próximo substituir as baterias usadas em automóveis e outros tipos de veículos, por supercapacitores.

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    9.2   Aplicações no Transporte Ferroviário

Em desenvolvimento.