O que são supercapacitores

Ionistores, supercapacitores, ultracapacitores - a história da criação e desenvolvimento da tecnologia

Em 7 de junho de 1962, Robert Reitmaer, químico da American Standard Oil Company (SOHIO) em Cleveland, Ohio, apresentou um pedido de patente detalhando o mecanismo para armazenar energia elétrica em um capacitor de camada dupla.

Se em capacitor convencional Como as placas de alumínio eram tradicionalmente isoladas com uma camada dielétrica, na modalidade proposta pelo inventor, a ênfase foi colocada diretamente no material das placas. Os eletrodos tinham que ter condutividade diferente: um eletrodo tinha que ter condutividade iônica e o outro - eletrônico.

Assim, no processo de carregamento de um capacitor, haveria uma separação de elétrons e centros positivos no condutor eletrônico e separação de cátions e ânions no condutor iônico.

O condutor eletrônico foi proposto para ser feito de carbono poroso, então o condutor iônico poderia ser uma solução aquosa de ácido sulfúrico. Nesse caso, a carga seria armazenada na interface desses condutores especiais (a mesma camada dupla). A diferença de potencial desses primeiros ionistores poderia atingir um valor de 1 volt e a capacitância - unidades de farads, porque agora a distância entre as placas era inferior a 5 nanômetros.

Em 1971, a licença foi transferida para a empresa japonesa NEC, que na época estava envolvida em todas as áreas da comunicação eletrônica. Os japoneses foram bem-sucedidos na promoção de tecnologia para o mercado de eletrônicos, chamada "Supercapacitor".

Sete anos depois, em 1978, a Panasonic, por sua vez, lançou o "Gold Cap", que também obteve sucesso nesse mercado. O sucesso foi garantido pela conveniência do uso de ionistores para alimentar a memória volátil da SRAM. No entanto, esses ionistores possuíam alta resistência interna, o que limitava a capacidade de extrair energia rapidamente e, portanto, reduzia bastante o alcance das aplicações.

Em 1982, especialistas do Instituto Americano de Pesquisa Pinnacle (PRI), localizado em Los Gatos, Califórnia, trabalhando na melhoria de materiais de eletrodos e eletrólitos, desenvolveram ionizadores de densidade de energia extremamente alta que apareceram no mercado sob o nome PRI Ultracapacitor .

Após 10 anos, em 1992, o Maxwell Laboratories (que mais tarde mudou seu nome para Maxwell Technologies, San Diego, Califórnia, EUA) começou a desenvolver a tecnologia PRI, denominada "Boost Caps". O objetivo agora era criar capacitores de alta capacidade com baixa resistência para poder alimentar equipamentos elétricos potentes.

Fig. 1. Supercapacitor elétrico SAMWHA DH5U308W60138TH

Em 1999, a empresa taiwanesa UltraCap Technologies Corp. Ela também começou a colaborar com o PRI, que havia desenvolvido um eletrodo de área extremamente grande até então, e em 2001 foi lançado o primeiro ultracapacitor de alta capacidade de Taiwan. A partir deste momento, o desenvolvimento ativo da tecnologia começou em muitos institutos de pesquisa do mundo.

Também existem players no mercado russo, portanto a empresa Ultracapacitors Phoenix (UKF LLC) é uma empresa de engenharia especializada no design, desenvolvimento, produção e aplicação prática de soluções e sistemas baseados em supercapacitores / ionizadores. A empresa trabalha em estreita colaboração com os melhores fabricantes do mundo e assume ativamente sua experiência.

O uso de ionistores

Os ionistores por unidade farad receberam uso merecido como fontes de energia de backup em muitos dispositivos.Começando com o poder dos temporizadores de TVs e fornos de microondas e terminando com dispositivos médicos complexos. Como regra, os ionistores são instalados nos cartões de memória.

Ao trocar a bateria em um vídeo ou câmera, o ionistor suporta a energia dos circuitos de memória responsáveis ​​pelas configurações, o mesmo se aplica aos centros de música, computadores e outros equipamentos similares. Telefones medidores de eletricidade eletrônica, sistemas de alarme de segurança, instrumentos de medição eletrônicos e dispositivos médicos - os supercapacitores encontraram aplicação em todos os lugares.

Fig. 2. Supercapacitores (ionistores)

Os ionistores de eletrólitos orgânicos pequenos têm uma voltagem máxima de cerca de 2,5 volts. Para obter tensões mais altas permitidas, os ionistores são conectados às baterias, usando necessariamente resistores de derivação.

As vantagens dos ionistores incluem: alta taxa de descarga de carga, resistência a centenas de milhares de ciclos de recarga em comparação com as baterias, baixo peso em comparação com capacitores eletrolíticos, baixa toxicidade, tolerância à descarga a zero.

Fig. 3. Fonte de alimentação ininterrupta em supercapacitores

Fig. 4. Módulos de carro Supercapacitor

Perspectivas

No desenvolvimento de ionistores, sua capacidade específica está aumentando cada vez mais e, com toda a probabilidade, mais cedo ou mais tarde, isso levará à substituição completa de baterias por supercapacitores em muitos campos técnicos.

Estudos recentes de uma equipe de cientistas da Universidade da Califórnia em Riverside mostraram que um novo tipo de ionistor é baseado em uma estrutura porosa, onde partículas de óxido de rutênio são depositadas em grafenosuperior às suas melhores contrapartes quase duas vezes.

Pesquisadores descobriram que os poros da "espuma de grafeno" têm nanossizes adequados para reter partículas de óxidos de metais de transição. Os supercapacitores de óxido de rutênio são agora a opção mais promissora. Trabalhando com segurança em um eletrólito aquoso, eles fornecem um aumento na energia armazenada e aumentam a amperagem permitida em um fator de dois em comparação com os melhores ionistores disponíveis no mercado.

Eles armazenam mais energia para cada centímetro cúbico de volume, portanto, seria aconselhável substituir as baterias por elas. Antes de mais nada, estamos falando de eletrônicos vestíveis e implantáveis, mas, no futuro, a novidade também poderá ser baseada em veículos elétricos pessoais.

O grafeno é depositado camada por camada sobre partículas de níquel, que atuam como suporte para nanotubos de carbono, que juntamente com o grafeno formam uma estrutura porosa de carbono. Partículas de óxido de rutênio com diâmetro inferior a 5 nm penetram nos nanoporos obtidos deste último a partir de uma solução aquosa. A capacidade específica do ionistor com base na estrutura resultante é de 503 farads por grama, o que corresponde a uma potência específica de 128 kW / kg.

Fig. 4. Carregador em um supercapacitor de grafeno

A capacidade de escalar essa estrutura já lançou as bases e criou as bases para a criação dos meios ideais de armazenamento de energia. Os ionistores baseados em "espuma de grafeno" passaram com sucesso nos primeiros testes, onde mostraram capacidade de recarregar mais de oito mil vezes sem deterioração.