👨🏾‍⚕️ 🐙 🤽🏼 O que causa as diferenças entre baterias e supercapacitores 🤵🏿 🍌 👩🏻‍🚀

As fontes de energia eletroquímica são usadas em todos os lugares hoje em dia e têm características distintas: capacidade ou quantidade de energia armazenada, bem como energia, ou capacidade de transferir ou acumular rapidamente essa energia (descarga / carga em altas correntes). Além disso, segurança e longevidade são muito importantes para as baterias. Neste post, mostrarei como as baterias e supercapacitores diferem no nível químico e como isso afeta suas características técnicas.

Eu vou começar com as baterias. Atualmente, as baterias de íon-lítio e hidreto de níquel-metal (NiMH) são mais comumente usadas, mas as baterias de íon-lítio estão substituindo gradualmente o NiMH por várias razões. Em primeiro lugar, as baterias de íon-lítio consomem mais energia. Isso se deve ao fato de que, em comparação aos eletrólitos alcalinos NiMH, que limitam a tensão da célula a 1,2 V, os eletrólitos das baterias à base de carbonato de íon lítio fornecem uma tensão de 3V. E isso significa menos células necessárias para atingir uma certa voltagem, além de tamanhos mais compactos, o que é simplesmente necessário para os modernos dispositivos eletrônicos portáteis. E, o mais importante, comparado ao NiMH, que usa ligas com metais de terras raras, as baterias de íon-lítio contêm materiais mais baratos.

A operação das baterias de íon-lítio é a seguinte: íons de lítio são incorporados ao material em camadas do ânodo (na maioria das vezes grafite) ou cátodo (óxidos de metais de transição) durante o carregamento e o descarregamento. A capacidade é determinada pela quantidade de lítio incorporada nos eletrodos e, se a capacidade, como mencionado acima, as baterias de íons de lítio forem boas, então com energia (essa é a capacidade da bateria de carregar e descarregar rapidamente em altas correntes, por exemplo, durante aceleração e frenagem regenerativa em veículos elétricos) não é assim tão simples. Por exemplo, ao carregar muito rápido, os íons de lítio não têm tempo para se integrar aos cristais e formar cadeias de lítio metálico (dendritos) no ânodo, o que pode levar a um curto-circuito, principalmente a baixa temperatura. Uma descarga muito rápida pode destruir o cristal do cátodo e levar ao envelhecimento prematuro da bateria.

O que determina a energia da bateria? A energia da bateria depende de vários parâmetros: a condutividade do eletrodo, composta pelo material ativo e aditivos, a velocidade dos processos eletroquímicos que ocorrem nos materiais ativos, bem como a condutividade iônica do eletrólito. Para, de alguma forma, melhorar o poder das baterias de íon-lítio, se elas forem usadas em altas correntes, os fabricantes criam eletrodos especiais e mais finos: eles contêm menos material ativo, mas mais aditivos de carbono. Como resultado, a condutividade do eletrodo aumenta, mas, infelizmente, diminuindo a quantidade de material ativo, a capacidade também diminui. Além disso, mesmo que essa tecnologia melhore a condutividade dos eletrodos, não se esqueça de outros parâmetros que afetam a potência, especialmente a lenta incorporação do lítio nos cristais (dificuldades de difusão),que esta tecnologia não afeta de forma alguma.

Mas aqui os nanomateriais vêm em nosso auxílio: para se integrar ao nanocristais, o lítio não precisa se mover longas distâncias; portanto, a intercalação é muito mais rápida.

Mas, infelizmente, os nanomateriais também apresentam desvantagens, em particular o aumento da reatividade química, o que reduz a vida útil da bateria. Em geral, tentando melhorar um dos parâmetros da bateria, todos os outros geralmente pioram.

Mas se a bateria ainda precisa trabalhar com correntes muito altas, nas quais nem o método de produção dos eletrodos nem a estruturação de materiais ativos ajudam, o supercapacitor vem em socorro. À primeira vista, o supercapacitor se assemelha a uma bateria: ele também possui dois eletrodos colocados em um eletrólito. Mas isso é apenas à primeira vista. De fato, o supercapacitor armazena energia na forma de uma camada de íons que se liga à superfície dos eletrodos (dupla camada elétrica). A capacidade de tais dispositivos depende diretamente da superfície do eletrodo, e o carvão ativado é frequentemente usado como material ativo. Como, diferentemente das baterias de íon-lítio, não há reações redox nos supercapacitores e os íons não devem ser incorporados a lugar algum, o carregamento e o descarregamento são muito mais rápidos,e os próprios dispositivos são mais duráveis.

Mas por que, com uma potência tão notável, os supercapacitores não podem ser usados como fontes de energia independentes, e não como baterias? Mas o fato é que o processo de formação de uma dupla camada elétrica é muito menos intensivo em energia do que as reações redox; portanto, apesar de os supercapacitores acumularem e fornecerem energia rapidamente, sua quantidade é muito pequena em comparação às baterias. Além disso, os supercapacitores estão sujeitos a forte descarga automática: se uma bateria carregada perder vários por cento da capacidade em um mês, o supercapacitor poderá descarregar completamente durante esse período. Portanto, os supercapacitores geralmente são usados em conjunto com baterias que consomem energia e assumem o papel de fonte de energia exclusivamente em cargas de pico.

A descarga automática é uma queda gradual de tensão em uma fonte de energia eletroquímica, se for desconectada da rede. Nas baterias de íon-lítio, está associado à oxidação gradual do eletrólito no cátodo, como resultado da liberação de elétrons que são usados pelos materiais do cátodo para incorporar lítio em sua estrutura (um processo que ocorre durante a descarga). Como o eletrólito é oxidado lentamente, a autodescarga também é lenta. Mas o mecanismo exato de autodescarga dos supercapacitores ainda não é conhecido, mas está associado a íons eletrolíticos que entram em reações redox na superfície dos eletrodos.

No final, vale a pena dizer que também existem supercapacitores "pseudo-capacitivos", também chamados de supercapacitores eletroquímicos, nos quais processos redox mais intensivos em energia ocorrem na superfície de materiais ativos, mas a capacidade desses dispositivos ainda é menor que a das baterias, e também sofrem com auto-descarga forte.

Fontes:

Manual de baterias de Linden, quarta edição
IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, vol. 24, N ° 2, 2009
J. Electrochem Soc., Vol. 145, N ° 10, 1998
BE Conway, Supercapacitores eletroquímicos: fundamentos científicos e aplicações tecnológicas, 1999

O que causa as diferenças entre baterias e supercapacitores

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