Entendendo os supercapacitores e sua relação com as baterias

A necessidade de fontes confiáveis de armazenamento de energia cresceu drasticamente com o surgimento da Internet das Coisas (IoT), da IoT Industrial (IIoT), de eletrônicos portáteis e de aplicações maiores, como plantas industriais e datacenters. As baterias fornecem alimentação direta para dispositivos menores, enquanto as baterias em aplicações maiores são frequentemente usadas como reservas em caso de falta de energia primária.

Dispositivos pequenos geralmente dependem de baterias de íons de lítio (Li-ion) ou alcalinas de célula tipo moeda para atingir os objetivos de fatores de forma pequenos e manutenção mínima. As células de íons de lítio exigem atenção cuidadosa aos limites do ciclo de carregamento e à segurança. As baterias usadas como reservas podem se desgastar rapidamente após uma recarga rápida e devem ser substituídas. Essas baterias também exigem sistemas complexos de gerenciamento de baterias e ainda têm a possibilidade de avalanche térmica, o que gera preocupações com a segurança.

Os capacitores de camada elétrica dupla (EDLC), ou supercapacitores, oferecem uma tecnologia complementar às baterias. Enquanto as baterias podem fornecer energia por períodos relativamente longos, os supercapacitores podem fornecer energia rapidamente por períodos curtos. Os supercapacitores também são ecologicamente corretos, não estão sujeitos a avalanche térmica e podem operar de forma confiável por até 20 anos. Eles podem ser usados como o único método de armazenamento de energia, em combinação com baterias ou como um dispositivo híbrido para otimizar o fornecimento de energia.

Este artigo descreve brevemente os supercapacitores em relação às baterias. Em seguida, ele analisa algumas aplicações típicas, autônomas e em combinação com baterias. Os supercapacitores da Eaton são usados para fins ilustrativos.

Diferenças entre supercapacitores e baterias

Um supercapacitor é um dispositivo de armazenamento de energia com capacidade de energia específica excepcionalmente alta em comparação com dispositivos de armazenamento eletroquímico, como baterias. As baterias e os supercapacitores desempenham funções semelhantes no fornecimento de energia, mas operam de forma diferente. Um supercapacitor funciona como um capacitor clássico, pois o perfil de descarga para uma corrente de descarga constante exibe uma diminuição linear na tensão. Diferentemente de uma bateria, o armazenamento de energia em um supercapacitor é eletrostático, portanto, não há alterações químicas no dispositivo, e as operações de carga e descarga são quase totalmente reversíveis. Isso significa que ele pode tolerar um número maior de ciclos de carga e descarga.

As baterias armazenam energia eletroquimicamente. O perfil de descarga das baterias de íons de lítio é plano; elas exibem uma característica de tensão quase constante até que a bateria esteja quase totalmente descarregada. Devido à degradação dos mecanismos químicos, o número de ciclos de carga e descarga em uma bateria de íons de lítio é limitado. Fatores como a temperatura, a tensão de carga e a profundidade da descarga influenciam a redução da capacidade da bateria.

As baterias de íons de lítio estão sujeitas a avalanche térmica, autoignição e até mesmo explosão. A geração de calor é inevitável devido às reações químicas durante a carga e a descarga do aquecimento resistivo. Por esse motivo, as baterias exigem monitoramento de temperatura para garantir a segurança do usuário.

Comparação das especificações de supercapacitores e baterias de íons de lítio

As baterias oferecem alta densidade de energia. Os supercapacitores têm densidade de energia menor do que as baterias, mas alta densidade de potência porque podem ser descarregados quase instantaneamente. Os processos eletroquímicos em uma bateria levam mais tempo para fornecer energia a uma carga. Ambos os dispositivos têm recursos que atendem a necessidades específicas de armazenamento de energia (Figura 1).

Figura 1: É mostrada uma comparação dos recursos dos supercapacitores e das baterias de íons de lítio. (Fonte da imagem: Eaton)

A comparação entre a densidade de energia, em watts-hora por litro (Wh/L), e a densidade de potência, em watts por litro (W/L), mostra a diferença mais significativa entre os dispositivos. Isso também afeta os tempos de descarga; os supercapacitores destinam-se a fornecer energia em intervalos breves (eventos transitórios), enquanto as baterias lidam com eventos longos. O supercapacitor se descarrega em segundos ou minutos, enquanto uma bateria pode fornecer energia por horas. Essa característica afeta sua aplicação.

Os supercapacitores suportam uma faixa de temperatura operacional mais ampla do que as baterias. Seus processos eletrostáticos quase sem perdas também contribuem para sua maior eficiência e taxas de carregamento mais rápidas.

Exemplos de supercapacitores

A Eaton oferece uma linha completa de supercapacitores confiáveis para aplicações de armazenamento de energia que exigem alta densidade de potência e carregamento rápido. O encapsulamento físico de seus supercapacitores às vezes se iguala à das baterias, especialmente as células tipo moeda. Eles também estão disponíveis em invólucros cilíndricos de capacitores convencionais (Figura 2).

Figura 2: Os supercapacitores estão disponíveis em invólucros padrões de capacitores cilíndricos com terminais condutores radiais; alguns são encapsulados para corresponder aos formatos de célula tipo moeda das baterias de íons de lítio. (Fonte da imagem: Eaton)

O Eaton TV1030-3R0106-R mostrado na Figura 2 (à esquerda) é um supercapacitor de 10 Farad (F) com uma tensão máxima de trabalho de 3 V. É encapsulado em uma lata cilíndrica com terminais radiais. A lata tem um diâmetro de 10,5 milímetros (mm) (0,413 polegada) e uma altura de 31,5 mm (1,24 polegadas). Tem uma faixa de temperatura operacional de -25°C a +65°C e uma faixa operacional estendida de -25°C a +85°C quando degradado para operar a 2,5 V ou menos. Pode armazenar 12,5 miliwatts-hora (mW/h) de energia e produzir uma potência de pico de 86,5 W. É dimensionado para 500.000 ciclos de carga/descarga.

Os supercapacitores podem substituir as baterias de célula tipo moeda em muitas aplicações, como energia reserva de memória. O Eaton KVR-5R0C155-R (Figura 2, à direita) é um supercapacitor de 1,5 F dimensionado com uma tensão máxima de trabalho de 5 volts. As dimensões de seu invólucro são semelhantes às de uma célula tipo moeda de 20 mm. Ele pode fornecer uma potência de pico de 0,208 watt. Sua faixa de temperatura operacional é de -25°C a +70°C. É também dimensionado para 500.000 ciclos de carga/descarga.

Aumento da densidade de energia do supercapacitor

A energia armazenada em um supercapacitor é proporcional à sua capacitância e ao quadrado da tensão à qual ele é carregado. Assim, a densidade de energia pode ser aumentada com o aumento do número de células, conectando-as em paralelo. Densidades de energia mais altas podem ser obtidas com a criação de módulos de supercapacitores com alta capacitância e tensões de trabalho mais altas (Figura 3).

Figura 3: A densidade de energia de um supercapacitor pode ser aumentada com a adição de várias células e o aumento da tensão de trabalho. (Fonte da imagem: Eaton)

O supercapacitor PHVL-3R9H474-R da Eaton (Figura 3, à esquerda) é um dispositivo de 470 milifarads (mF) e 3,9 volts com células duplas. Ele tem uma resistência equivalente em série (ESR) muito baixa de 0,4 ohm (Ω) para reduzir as perdas de condução e pode fornecer uma potência de pico de 9,5 W. Tem uma faixa de temperatura operacional de -40°C a +65°C. Como os supercapacitores discutidos anteriormente, ele é dimensionado para 500.000 ciclos de carga/descarga. O invólucro físico tem 14,5 mm (0,571 polegada) de altura, 17,3 mm (0,681 polegada) de comprimento e 9 mm (0,354 polegada) de largura.

Os invólucros modulares de supercapacitores podem fornecer quantidades significativas de energia reserva. O Eaton XLR-16R2507B-R (Figura 3, à direita) tem uma capacitância de 500 F e opera com uma tensão máxima de 16,2 V. O módulo tem uma ESR de 1,7 miliohms (mΩ) e pode fornecer uma potência de pico de 38,6 quilowatts (kW). A faixa de temperatura operacional é de -40°C a +65°C (temperatura da célula). O invólucro tem 177 mm (6,97 polegadas) de altura, 417 mm (16,417 polegadas) de comprimento e 68 mm (2,677 polegadas) de largura.

Supercapacitores híbridos

Os esforços para combinar as características dos supercapacitores e das baterias de íons de lítio resultaram em um supercapacitor híbrido chamado de capacitor de íons de lítio (LiC). Isso aumenta a densidade de energia do supercapacitor e, ao mesmo tempo, oferece tempos de resposta mais rápidos do que uma bateria. O LiC tem uma estrutura assimétrica usando um ânodo de grafite dopado com lítio e um cátodo de carvão ativado (Figura 4).

Figura 4: O supercapacitor híbrido incorpora as características do supercapacitor e da bateria de íons de lítio. Ele tem um número maior de ciclos de carga/descarga em comparação com uma bateria e taxas de descarga mais altas. (Fonte da imagem: Eaton)

A estrutura do supercapacitor híbrido combina a natureza eletroquímica da bateria de lítio com as propriedades eletrostáticas do supercapacitor para oferecer um benefício notável aos projetistas. O movimento de carga é um processo eletroquímico no LiC, mas é feito com uma profundidade menor do que em uma bateria, resultando em um número maior de ciclos de carga/descarga e taxas de descarga mais altas. O perfil de descarga resultante é muito semelhante ao do supercapacitor.

Por exemplo, o HS1016-3R8306-R é um supercapacitor híbrido de 30 F, 3,8 V, alojado em um invólucro cilíndrico com terminais radiais. Ele tem uma ESR de 0,55 Ω e pode fornecer uma potência de pico de 6,6 W. Sua faixa de temperatura de operação é de -15°C a +70°C e possui uma faixa de operação estendida de -15°C a +85°C, degradado para operar a 3,5 V ou menos. Possui uma vida útil nominal de 1.000 horas na tensão nominal e na temperatura máxima de operação. As dimensões do invólucro são 18 mm (0,709 polegada) de altura e 10,5 mm (0,413 polegada) de diâmetro. Assim como o supercapacitor, ele é dimensionado para 500.000 ciclos de carga/descarga.

Gráficos de densidade de energia e potência

As distribuições de energia e densidade de potência dos dispositivos de armazenamento de energia oferecem uma visão considerável de sua utilidade e duração operacional efetiva (Figura 5).

Figura 5: Um gráfico cruzado de densidade de energia versus densidade de potência de dispositivos de bateria e supercapacitores fornece informações sobre sua duração operacional. (Fonte da imagem: Eaton)

O gráfico representa a densidade de energia versus a densidade de potência. A proporção desses parâmetros gera o tempo, que também é plotado no gráfico. Os dispositivos com alta densidade de energia, mas com baixa densidade de potência, estão no canto superior esquerdo. Isso inclui células de combustível e baterias. Dispositivos com alta densidade de potência, mas baixa densidade de energia, como capacitores tradicionais e supercapacitores, ocupam o canto inferior direito. Os supercapacitores híbridos se encaixam entre esses dois grupos. Observe a escala de tempo de cada um; os supercapacitores funcionam em períodos de segundos, os híbridos em minutos e as baterias em horas ou mais.

Aplicações de armazenamento de energia

Os dispositivos de armazenamento de energia fornecem alimentação quando a energia primária é perdida. Um bom exemplo é o fornecimento de energia reserva para a memória do computador. As baterias eram usadas anteriormente, mas os supercapacitores agora estão entrando nessa aplicação devido à sua contagem de ciclos de carga/recarga significativamente maior. Além disso, com os supercapacitores, não há necessidade de substituir as baterias após um ano de operação.

Os supercapacitores também são usados em projetos de IoT e IIoT que dependem da coleta de energia. Eles encontram aplicações semelhantes em veículos, onde armazenam a energia recuperada da frenagem.

Os supercapacitores fornecem alta potência por períodos curtos. Eles podem ser aplicados para fornecer energia de "passagem" em instalações críticas que precisam superar o atraso de cerca de dez segundos até que um gerador de emergência possa entrar em operação. O supercapacitor é recarregado aproximadamente no mesmo período que o período de uso e pode voltar a funcionar rapidamente após uma queda de energia.

Conclusão

Os supercapacitores oferecem operação complementar às baterias na maioria das aplicações de armazenamento de energia. Seus níveis de energia mais altos e imediatamente disponíveis e os tempos de recarga rápidos os tornam ideais para dar suporte de alimentação de curto prazo. O alto número de ciclos de carga/recarga que podem ter sem degradação do desempenho reduz os custos de manutenção e estoque de substituição da bateria.