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12 de Março de 2020

A Supercapacidade dos Supercapacitores

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Pesquisa investiga novos materiais à base de nióbio para o aprimoramento do armazenamento de energia elétrica


A busca por fontes limpas e renováveis de energia tem se intensificado nos últimos anos, devido ao contínuo aumento da concentração na atmosfera de gases causadores do efeito estufa, como o gás carbônico. Desta busca também faz parte o desenvolvimento de novos sistemas para armazenar e fornecer energia para aplicações diversas, desde carros e ônibus elétricos até eletrônicos portáteis. Assim, dispositivos como baterias de lítio, baterias de fluxo e supercapacitores são estudados para atenderem a essas novas demandas.

Supercapacitores são uma classe de dispositivos de armazenamento de energia que combina as propriedades de baterias (alta capacidade de armazenamento) com as de capacitores (ultra-rápido carregamento e fornecimento de energia), tolerando um grande número de ciclos de carga e descarga. No entanto, este tipo de dispositivo apresenta ainda diversos inconvenientes: a capacidade de armazenamento de energia é ainda menor que a de baterias convencionais; a curva de descarga de tensão observada pode impedir o uso de toda a energia armazenada; e, em alguns casos, uma auto-descarga excessiva é verificada.

Para superar essas limitações e manter as vantagens típicas tanto de baterias quanto de capacitores, pesquisas atuais têm misturado elementos de bateria em dispositivos supercapacitores com o intuito de aumentar sua densidade de energia. Assim, materiais normalmente utilizados em eletrodos de bateria são inseridos em eletrodos de supercapacitores. Dessa combinação, surge a classe de supercapacitores chamada de pseudocapacitores.

Neste contexto, Rafael Vicentini, da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), e colaboradores [1] investigaram eletrodos à base de carbono decorados com pentóxido de nióbio ($\rm Nb_2O_5$) para serem utilizados como pseudocapacitores.

No processo de fabricação, o material de carbono cobre parcialmente as nanopartículas de
($\rm Nb_2O_5$) com uma fina camada de carbono mesoporoso, o que leva a uma melhor condutividade elétrica do eletrodo. O eletrodo compósito mostrou-se muito estável ​​em eletrólitos aquosos, permitindo estudá-lo por métodos eletroquímicos convencionais e em condições de operação (in-situ). Para este estudo foram utilizadas as técnicas que espectroscopia Raman e difração de raios X, esta última realizada na linha de luz XPD do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), com as quais foi possível acompanhar o processo de carga e descarga do pseudocapacitor durante o seu funcionando real.

Ao final, o grupo verificou que os eletrodos à base de carbono e decorados com pentóxido de nióbio possuem excelentes características para serem utilizados no armazenamento de energia elétrica, incluindo alta capacitância, longa vida útil (mais de 500 mil ciclos de carga e descarga) e alta densidade de energia e potência.

Fonte: [1] Rafael Vicentini, Willian Nunes, Bruno G.A. Freitas, Leonardo M. Da Silva, Davi Marcelo Soares, Reinaldo Cesar, Cristiane B. Rodella, Hudson Zanin, Niobium pentoxide nanoparticles @ multi-walled carbon nanotubes and activated carbon composite material as electrodes for electrochemical capacitors, Energy Storage Materials 22 (2019) 311–322. DOI: 10.1016/j.ensm.2019.08.007.