SUPERCAPACITORES X BATERIAS

 

 

O supercapacitor, também conhecido como capacitor de camada dupla, difere de um capacitor comum por ter uma capacitância muito alta.

Um capacitor é basicamente um componente que armazena energia por meio de uma carga estática em oposição a uma reação eletroquímica. A aplicação de um diferencial de tensão nas placas positiva e negativa carrega o capacitor.

A unidade de capacitância é o Farad em homenagem ao físico inglês Michael Faraday (1791–1867). Um farad armazena um coulomb de carga elétrica ao aplicar um volt. Um microfarad é um milhão de vezes menor que um farad, e um pico-farad é novamente um milhão de vezes menor que um microfarad.

 

 

Existem três tipos de capacitores e o mais básico é o capacitor eletrostático com separador seco. Este capacitor clássico tem capacitância muito baixa e é usado principalmente para sintonizar frequências de rádio e filtragem. O tamanho varia de alguns pico-farads (pf) a microfarads (?F).

O capacitor eletrolítico fornece maior capacitância do que o capacitor eletrostático e é classificado em microfarads (?F), que é um milhão de vezes maior que um pico-farad. Os capacitores eletrolíticos implantam um separador úmido e são usados ??para filtragem, buffer e acoplamento de sinal. Semelhante a uma bateria, a capacidade eletrostática possui um positivo e um negativo que devem ser observados.

 

 

O terceiro tipo é o supercapacitor, classificado em farads, que é milhares de vezes maior que o capacitor eletrolítico. O supercapacitor é utilizado para o armazenamento de energia passando por ciclos frequentes de carga e descarga em alta corrente e curta duração.

Este artigo tem por objetivo detalhar o funcionamento e as características do super capacitor. Iremos também realizar a comparação entre as baterias e o supercapacitor extraindo as principais diferenças entre eles.

 

Como o Supercapacitor foi criado?

Os engenheiros da General Electric experimentaram pela primeira vez uma versão inicial do supercapacitor em 1957, mas não havia aplicações comerciais conhecidas. Em 1966, a Standard Oil redescobriu acidentalmente o efeito do capacitor de dupla camada enquanto trabalhava em projetos experimentais de células de combustível. A camada dupla melhorou muito a capacidade de armazenar energia. A empresa não comercializou a invenção e a licenciou para a NEC, que em 1978 comercializou a tecnologia como “supercapacitor” para backup de memória de computador.

O supercapacitor evoluiu e cruza a tecnologia de bateria usando eletrodos e eletrólitos especiais.  Vários tipos de eletrodos foram testados e os sistemas mais comuns hoje são construídos sobre o capacitor eletroquímico de dupla camada que é à base de carbono, possui um eletrólito orgânico e é fácil de fabricar.

 

 

Características dos Super capacitores

Todos os capacitores têm limites de tensão. Enquanto o capacitor eletrostático pode ser feito para suportar altos volts, o supercapacitor é limitado de 2,5 a 2,7V. Tensões de 2,8 V e superiores são possíveis, mas com vida útil reduzida. Para obter tensões mais altas, vários supercapacitores são conectados em série. A conexão em série reduz a capacitância total e aumenta a resistência interna. Mais de três supercapacitores em série requerem balanceamento de tensão para evitar que qualquer célula entre em sobretensão. As baterias de íons de lítio compartilham um circuito de proteção semelhante. A energia específica do supercapacitor varia de 1Wh/kg a 30Wh/kg, 10 a 50 vezes menos que as baterias de Li-ion.

O tempo de carga de um supercapacitor é de 1 a 10 segundos. A característica de carga é semelhante a uma bateria eletroquímica e a corrente de carga é, em grande parte, limitada pela capacidade de manuseio de corrente do carregador.  O supercapacitor não está sujeito a sobrecarga e não requer detecção de carga total, a corrente simplesmente para de fluir quando cheia.

A Figura a seguir demonstra as características de tensão e corrente na carga de um supercapacitor. Na carga, a tensão aumenta linearmente e a corrente cai por padrão quando o supercapacitor está cheio, sem a necessidade de um circuito de detecção de carga completa. Para que isso ocorra é preciso que haja uma alimentação de corrente constante e limite de tensão adequado para a tensão nominal do supercapacitor, ao passo que exceder a tensão pode danificar o supercapacitor.

 

 

A tensão aumenta linearmente durante uma carga de corrente constante. Quando o capacitor está cheio, a corrente cai por padrão.

 

A próxima figura demonstra as características de tensão e corrente na descarga de um supercapacitor. Na descarga, a tensão diminui linearmente. Para manter um nível de potência constante à medida que a tensão cai, é necessário um conversor DC-DC (o final da descarga é alcançado quando os requisitos de carga não podem mais ser atendidos).

 

 

Supercapacitor x Bateria

Os parâmetros de maior interesse tanto para as baterias quanto para os supercapacitores são os valores de energia específica (Wh/Kg) e potência específica (W/Kg).

A energia específica refere-se à capacidade de armazenar grandes quantidades de energia e distribuí-la por um longo período de tempo. A potência específica descreve a capacidade de carregamento, que se refere à rapidez com que a tecnologia de armazenamento de energia pode fornecer energia a um dispositivo, carga ou sistema.

Uma boa forma de visualizar a diferença entre esses dois parâmetros é imaginar a fonte de energia como um barril com água dentro e um furo que deixa a água escoar. O tamanho do barril determina quanta água pode ser armazenada, esta é a energia específica. O tamanho do furo controla a quantidade de água que pode escorrer, esta é a potência específica.

 

 

As baterias, tanto primárias quanto recarregáveis, possuem uma energia específica muito alta. No entanto, a desvantagem ao usar baterias, que se destacam em fornecer energia por longos períodos de tempo, é que ela terá dificuldade em fornecer uma alta potência específica.

Em determinadas situações esta pode ser uma limitação, pois às vezes é necessário fornecer picos de energia em quantidades maiores, para realizar tarefas como nivelar uma carga ou fornecer a corrente de partida para ligar um motor.

Ter uma bateria para realizar esta função pode sobrecarregá-la, desperdiçando sua capacidade e/ou encurtando sua vida útil. Portanto, está longe de ser prático projetar propositadamente um sistema que exija uma bateria para ser usada dessa forma. A solução atual é adicionar baterias adicionais para superdimensionar o sistema de armazenamento de energia para que o estresse seja compartilhado por mais baterias para reduzir seu impacto. Isso é ineficiente em termos de design e custo.

Alternativamente, os supercapacitores têm altas potências específicas e baixas energias específicas. Isso significa que eles são ideais para fornecer picos altos de energia, mas não podem armazenar tanta energia ou distribuí-la por quase tanto tempo quanto as baterias.

As características complementares de baterias e supercapacitores tornam muito vantajoso projetar um sistema que os combine. Os sistemas de armazenamento de energia que possuem baterias e supercapacitores trabalhando juntos se encaixam muito bem em diversas aplicações.

O gráfico a seguir compara a potência específica e energia específica de alguns componentes, incluindo as baterias e os supercapacitores.

 

 

Antes de examinar as várias aplicações dos supercapacitores, vamos comparar as baterias de lítio-íon e os supercapacitores:

 

Características	Supercapacitor	Bateria de lítio-íon
Tempo de carga	1–10 segundos	10–60 minutos
Ciclo de vida	1 milhão ou 30.000h	Maior que 500
Tensão da célula	2,3 a 2,75 V	3,6 V nominal
Energia específica (Wh/kg)	1 – 30	120–240
Potência específica (W/kg)	Até 10.000	1.000–3.000
Custo por kWh	$ 10.000 (típico)	$ 250– $ 1.000 (sistema grande)
Temperatura de carga	–40 a 65°C	0 a 45°C
Temperatura de descarga	–40 a 65°C	–20 a 60°C
Autodescarga (30 dias)	Alta (5-40%)	5% ou menos

 

O super capacitor pode ser carregado e descarregado um número virtualmente ilimitado de vezes. Ao contrário da bateria eletroquímica, que tem um ciclo de vida definido, há pouco desgaste ao alternar um super capacitor.

A idade também é mais gentil com o super capacitor do que com uma bateria. Em condições normais, um super capacitor passa da capacidade original de 100% para 80% em 10 anos. A aplicação de tensões mais altas do que a especificada reduz a vida útil. O super capacitor é tolerante em temperaturas quentes e frias, uma vantagem que as baterias não podem atender igualmente bem.

A auto-descarga de um supercapacitor é substancialmente maior do que a de um capacitor eletrostático e maior do que a de uma bateria eletroquímica; o eletrólito orgânico contribui para isso. O super capacitor descarrega de 100 a 50% de 30 a 40 dias.

 

Aplicações

O supercapacitor é frequentemente mal compreendido, não é uma substituição da bateria para armazenar energia a longo prazo. Se, por exemplo, os tempos de carga e descarga forem superiores a 60 segundos, use uma bateria; se for menor, então o super capacitor se torna econômico.

Supercapacitores são ideais quando uma carga rápida é necessária para preencher uma necessidade de energia de curto prazo; enquanto as baterias são escolhidas para fornecer energia a longo prazo. Combinar os dois em uma bateria híbrida satisfaz ambas as necessidades e reduz o estresse da bateria, o que se reflete em uma vida útil mais longa. Essas baterias estão sendo disponibilizadas hoje na família de chumbo-ácido.

Os supercapacitores são mais eficazes para preencher lacunas de energia que duram de alguns segundos a alguns minutos e podem ser recarregados rapidamente.

O Japão por exemplo, emprega grandes supercapacitores. Os sistemas de 4MW são instalados em prédios comerciais para reduzir o consumo da rede nos horários de pico de demanda e facilitar o carregamento. Outras aplicações são para iniciar geradores de backup durante quedas de energia e fornecer energia até que a mudança seja estabilizada.

 

Conclusão

Devido a sua alta potência específica, os supercapacitores são capazes de fornecer picos de correntes de intensidade elevadas (maiores do que as baterias). Os supercapacitores podem ser carregados muito mais rapidamente e toleram mais ciclos de carga e descarga do que baterias recarregáveis. Estas características são fundamentais para aplicações específicas que exijam um alto pico de energia por um curto período.

Porém uma das principais limitações do supercapacitor é sua baixa energia específica que é muito inferior a energia específica das principais baterias do mercado, principalmente as de lítio-íon.