Os supercapacitores podem substituir as baterias nos carros elétricos?

Carros elétricos e híbridos estão firmemente enraizados nas mentes dos motoristas modernos, como uma nova rodada na evolução dos veículos. Se considerarmos esses carros em comparação com modelos equipados com ICE, eles têm suas vantagens e desvantagens.

As vantagens sempre incluem a operação silenciosa, bem como a ausência de poluição durante a viagem (embora hoje a fabricação de uma bateria para carro elétrico polua o meio ambiente por mais de 30 anos de operação de um único motor diesel).

A principal desvantagem dos veículos elétricos é a necessidade de carregar a bateria. Em conjunto com isso, as principais montadoras estão desenvolvendo opções diferentes, como se quisessem aumentar a vida útil da bateria e aumentar o intervalo entre as cargas. Uma dessas opções é o uso de supercapacitores.

Considere esta tecnologia usando o exemplo de uma nova indústria automotiva - Lamborghini Sian. Quais são as vantagens e desvantagens deste desenvolvimento?

Novo no mercado de carros elétricos

Quando a Lamborghini começar a lançar um híbrido, você pode ter certeza de que não será apenas uma versão mais potente do Toyota Prius.

Sian, a estréia de uma empresa italiana no campo da eletrificação, é o primeiro carro híbrido produzido em massa (até 63 cópias), no qual são usados ​​supercapacitores em vez de baterias de íon-lítio.

Muitos físicos e engenheiros acreditam que é neles, e não nas baterias de íon-lítio, que está a chave da mobilidade elétrica em massa. A Sian usa esses recursos para armazenar eletricidade e, se necessário, fornecê-la ao seu pequeno motor elétrico.

Vantagens dos supercapacitores

Comparados às baterias mais modernas, os supercapacitores carregam e liberam energia muito mais rapidamente. Além disso, eles podem suportar significativamente mais ciclos de carga e descarga sem perda de capacidade.

No caso da Sian, o supercapacitor aciona um motor elétrico de 25 quilowatts, incorporado à caixa de câmbio. Ele pode fornecer um aumento adicional no V6,5 ICE de 12 litros com capacidade de 785 cavalos de potência ou dirigir um carro esportivo por conta própria durante manobras em baixa velocidade, por exemplo, ao estacionar.

Como o carregamento é muito rápido, este híbrido não precisa ser conectado a uma tomada ou estação de carregamento. Os supercapacitores estão totalmente carregados toda vez que o carro diminui a velocidade. Os híbridos de bateria também têm recuperação de energia de frenagem, mas é lento e apenas parcialmente ajuda a estender a milhagem elétrica.

O supercapacitor tem outro grande trunfo: o peso. No Lamborghini Sian, todo o sistema – o motor elétrico mais o capacitor – acrescenta apenas 34 quilos ao peso. Nesse caso, o aumento de potência é de 33,5 cavalos de potência. Para efeito de comparação, a bateria do Renault Zoe sozinha (com 136 cavalos de potência) pesa cerca de 400kg.

Desvantagens dos supercapacitores

Obviamente, os supercapacitores também têm desvantagens em comparação com as baterias. Com o tempo, eles acumulam energia muito pior - se Sian não cavalga por uma semana, não resta energia no capacitor. Mas também existem soluções possíveis para esse problema. A Lamborghini está trabalhando com o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) para criar um modelo puramente elétrico baseado em supercapacitores, o famoso conceito Terzo Millenio (Terceiro Milênio).

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A propósito, a Lamborghini, que está sob os auspícios do Grupo Volkswagen, não é a única empresa que está experimentando nessa área. Os modelos híbridos da Peugeot usam supercapacitores há anos, assim como os modelos de célula de combustível de hidrogênio da Toyota e da Honda. Fabricantes chineses e coreanos estão instalando-os em ônibus e caminhões elétricos. E no ano passado, a Tesla comprou a Maxwell Electronics, uma das maiores fabricantes de supercapacitores do mundo, um sinal claro de que pelo menos Elon Musk acredita no futuro da tecnologia.

7 fatos importantes para entender os supercapacitores

1 Como as baterias funcionam

A tecnologia da bateria é uma das coisas que há muito tomamos como certa, sem pensar em como ela funciona. A maioria das pessoas imagina que, ao carregar, simplesmente “despejamos” eletricidade na bateria, como água em um copo.

Mas uma bateria não armazena eletricidade diretamente, mas apenas a gera quando necessária por uma reação química entre dois eletrodos e um fluido (mais comumente) que os separa, chamado eletrólito. Nesta reação, os produtos químicos nele são convertidos em outros. Durante este processo, a eletricidade é gerada. Quando eles são completamente convertidos, a reação é interrompida - a bateria é descarregada.

Porém, com as baterias recarregáveis, a reação também pode ocorrer no sentido inverso - ao carregá-la, a energia inicia o processo inverso, que restaura as substâncias químicas originais. Isso pode ser repetido centenas ou milhares de vezes, mas inevitavelmente haverá perdas. Com o tempo, substâncias parasitas se acumulam nos eletrodos, portanto a vida útil da bateria é limitada (normalmente de 3000 a 5000 ciclos).

2 Como capacitores

Não há reações químicas no capacitor. Cargas positivas e negativas são produzidas exclusivamente por eletricidade estática. Dentro do capacitor existem duas placas de metal condutoras separadas por um material isolante chamado dielétrico.

O carregamento é muito parecido com esfregar uma bola em um suéter de lã, para que fique com eletricidade estática. Cargas positivas e negativas se acumulam nas placas, e o separador entre elas, que as impede de entrar em contato, é na verdade um meio de armazenamento de energia. Um capacitor pode ser carregado e descarregado até um milhão de vezes sem perda de capacidade.

3 O que são supercapacitores

Os capacitores convencionais são muito pequenos para armazenar energia - geralmente medidos em microfarads (milhões de farads). É por isso que os supercapacitores foram inventados na década de 1950. Em suas maiores variantes industriais, fabricadas por empresas como a Maxwell Technologies, a capacidade chega a vários milhares de farads, ou seja, 10-20% da capacidade de uma bateria de íons de lítio.

4 Como funcionam os supercapacitores

Ao contrário dos capacitores convencionais, não há dielétrico. Em vez disso, as duas placas são imersas em um eletrólito e separadas por uma camada isolante muito fina. A capacitância de um supercapacitor na verdade aumenta à medida que a área dessas placas aumenta e a distância entre elas diminui. Para aumentar a área de superfície, eles são atualmente revestidos com materiais porosos, como nanotubos de carbono (tão pequenos que 10 bilhões deles cabem em um centímetro quadrado). O separador pode ter apenas uma molécula de espessura com uma camada de grafeno.

Para entender a diferença, é melhor imaginar eletricidade como água. Um capacitor simples nesse caso será semelhante a uma toalha de papel, que pode absorver uma quantidade limitada. Um supercapacitor é uma esponja de cozinha no exemplo.

5 baterias: prós e contras

As baterias têm uma vantagem significativa - alta densidade de energia, o que lhes permite armazenar quantidades relativamente grandes de energia em um pequeno reservatório.

No entanto, eles também têm muitas desvantagens - peso pesado, vida útil limitada, carregamento lento e liberação de energia relativamente lenta. Além disso, metais tóxicos e outras substâncias perigosas são usados ​​para sua produção. As baterias só são eficientes em uma faixa estreita de temperatura, portanto, muitas vezes precisam ser resfriadas ou aquecidas, reduzindo sua alta eficiência.

6 supercapacitores: prós e contras

Os supercapacitores são muito mais leves que as baterias, sua vida útil é incomparavelmente mais longa, não requerem substâncias perigosas, carregam e liberam energia quase instantaneamente. Como quase não possuem resistência interna, não consomem energia para funcionar - sua eficiência é de 97-98%. Os supercapacitores operam sem desvios significativos em toda a faixa de -40 a +65 graus Celsius.

A desvantagem é que eles armazenam significativamente menos energia que as baterias de íon-lítio.

7 Novos materiais

Mesmo os supercapacitores modernos mais avançados não podem substituir completamente as baterias em veículos elétricos. Mas muitos cientistas e empresas privadas estão trabalhando para melhorá-las. Por exemplo, no Reino Unido, a Superdielectrics trabalha com materiais criados originalmente para a fabricação de lentes de contato.

A Skeleton Technologies está trabalhando com grafeno, uma forma alotrópica de carbono. Uma camada de um átomo de espessura é 100 vezes mais forte que o aço de alta resistência, e apenas 1 grama dela pode cobrir 2000 metros quadrados. A empresa instalou supercapacitores de grafeno em vans a diesel convencionais e alcançou 32% de economia de combustível.

Apesar de os supercapacitores ainda não poderem substituir completamente a bateria, hoje existe uma tendência positiva no desenvolvimento dessa tecnologia.

Perguntas e Respostas:

Como funciona um supercapacitor? Ele funciona da mesma maneira que um capacitor de alta capacidade. Nele, a eletricidade é acumulada devido à estática durante a polarização do eletrólito. Embora seja um dispositivo eletroquímico, nenhuma reação química ocorre.

Para que serve um supercapacitor? Supercapacitores são usados ​​para armazenamento de energia, motores de partida, em veículos híbridos, como fontes de corrente de curto prazo.

Como um supercapacitor difere de diferentes tipos de baterias? A bateria é capaz de gerar eletricidade por si mesma por meio de uma reação química. O supercapacitor apenas acumula a energia liberada.

Onde o Supercapacitor é usado? Capacitores de baixa capacidade são usados ​​em unidades flash (totalmente descarregadas) e em qualquer sistema que requeira um grande número de ciclos de descarga / carga.