Compósitos obtiveram bons resultados no processo de armazenamento de carga, na vida útil e em densidades de energia e potência em supercapacitores

Supercapacitores são uma classe de capacitores com alta capacidade eletroquímica e,assim, possibilidade de armazenamento e fornecimento de carga de forma rápida,tolerando vários ciclos – cerca de um milhão – de carga e descarga. “Eles juntam o melhor da bateria com o melhor do capacitor. Hoje em dia, as baterias conseguem armazenar muita energia, mas de forma bem lenta. Já os capacitores convencionais têm menor quantidade de energia armazenada, mas é possível empregá-la rapidamente. No caso do supercapacitor – também conhecido por capacitor eletroquímico –, com a utilização de eletrodos compósitos (compostos por mais de um material), nós conseguimos armazenar mais energia em curto período de tempo”, explica Rafael Vicentini, técnico e mestrando em laboratório da Divisão de Armazenamento Avançado de Energia (AES) do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) – Centro de Pesquisa em Engenharia financiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) em parceria com a Shell. Vicentini realiza o mestrado na Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), sob orientação de Hudson Zanin, pesquisador da AES e docente da FEEC.

Segundo Vicentini, os supercapacitores formam o cenário ideal para diversas aplicações, como em carros e ônibus elétricos e, futuramente, para carregamento de celulares e equipamentos médicos, além de fazer parte de um processo global de transição energética. Os desafios, no entanto, envolvem o estudo de materiais que possam melhorar a função dessa tecnologia, de maneira que seja economicamente viável e que, sobretudo, consiga ser produzida em escala industrial. Para isso, pesquisadores da AES se dedicam a esses estudos. “O supercapacitor é uma célula fechada, em que é difícil enxergar o que está acontecendo dentro dela, durante o seu funcionamento. As pesquisas de ponta fazem medidas em modo de operação, ou seja, caracterizam os dispositivos enquanto carregam e descarregam. Grandes descobertas foram feitas assim”, relata Vicentini. Em outras palavras, os pesquisadores investigam esses capacitores eletroquímicos durante a sua fase de operação – ou seja, olham para dentro deles, analisando o seu processo de carga e descarga –, para então propor materiais que possam aumentar muito a sua energia. “Entender o que acontece dentro dos capacitores durante carga e descarga, processo feito através de feixes de luz, nos ajuda a entender os processos de armazenamento e entrega de energia, bem como a encontrar um material ideal para aplicação”, explica Vicentini.

Com base nestes estudos, os pesquisadores da Divisão investigaram recentemente um novo eletrodo para capacitores eletroquímicos, com materiais a base de nanotubos de carbono de paredes múltiplas e carvão ativado, combinados com nanopartículas de pentóxido de nióbio. “Utilizar o nanotubo com o carvão ativado da maneira que fizemos é algo novo, sobretudo ao testar esse compósito em condições dinâmicas. O nanotubo tem ótimas propriedades elétricas, enquanto o carvão possui elevada área superficial. Combinados, formam eletrodo ideal”, detalha Vicentini. 

A pesquisa demonstrou que as nanopartículas de nióbio hidratado, ligadas à superfície de carbono, melhoraram o processo de armazenamento de carga em capacitores eletroquímicos. “Os estudos mostraram que o material compósito tem boas propriedades eletroquímicas, incluindo alta capacitância específica, longa vida útil (de 100 mil ciclos para 500 mil ciclos) e altas densidades de energia e potência para as correntes gravimétricas”, detalha.

Segundo Vicentini, o material testado tem potencial para ser utilizado em larga escala. “Encontramos bons resultados em escala laboratorial. Nossos próximos passos envolvem a montagem de protótipo de uma manufatura e do equipamento necessário para escalonar. Algo que facilita o andamento de nosso trabalho é justamente constituirmos, na AES, um grupo dinâmico e multidisciplinar. Temos pesquisadores de áreas como Física, Química, Matemática, engenharias Elétrica, Computação, Mecatrônica e Química, dentre outras, o que otimiza e agiliza nossos processos”, destaca.

Os resultados do estudo foram publicados em dois periódicos da Elsevier. A primeira publicação foi no Journal of Power Sources, com o artigo intitulado “Core-niobium pentoxide carbon-shell nanoparticles decorating multiwalled carbon nanotubes as electrode for electrochemical capacitors”, tendo como primeiro autor Vicentini, sob orientação de Zanin. Além deles, assinam a publicação Davi Marcelo Soares, Willian Nunes, Bruno Freitas e Lenon Costa, também pesquisadores da AES; e Leonardo da Silva, pesquisador do Departamento de Química da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM). Esta primeira publicação foca no diferencial trazido pela combinação do nanotubo de carbono com as nanopartículas de nióbio hidratado.

Já a segunda, divulgada pelo Energy Storage Materials e intitulada “Niobium pentoxide nanoparticles @ multi-walled carbon nanotubes and activated carbon composite material as electrodes for electrochemical capacitors”, tem ênfase no estudo em condições de operação do compósito envolvendo nanotubo de carbono e carvão ativado, decorado com nióbio hidratado. Tem, também, Vicentini como primeiro autor e é assinada, ainda, por Zanin, Silva, Nunes, Freitas e Soares, além de Reinaldo Cesar, também da AES; e Cristiane Rodella, pesquisadora do Laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS), do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM).

CINE

O Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) foi lançado em maio de 2018, com patrocínio da Fapesp e da Shell e hub de coordenação sediado na Unicamp. Além da Unicamp, a Universidade de São Paulo (USP) e o Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) lideram o Centro, em colaboração com seis outras instituições nacionais e 14 de outros países. Além da AES, o Centro conta com três outras divisões: Portadores Densos de Energia (DEC), Metano a Produtos (M2P) e Ciência Computacional de Materiais e Química (CMSC). Juntas, as quatro divisões conduzem mais de 20 projetos de pesquisa. Mais informações em cine.org.br.

Foto: Potenciostato ciclador, um dos equipamentos utilizados no estudo dos supercapacitores em operação (Crédito: Bruno Freitas)