Ultracapacitores

No post anterior eu falei sobre baterias e aproveitando o assunto, resolvi falar um pouco desta tecnologia que muito em breve vai fazer parte do nosso dia-a-dia.

Capacitores

Capacitores em geral são formados por duas superfícies condutoras muito próximas, mas separadas por algum material isolante (dielétrico). Quando essas duas superfícies são conectadas aos polos de uma fonte de corrente contínua, elas são carregadas com cargas opostas. Estas cargas estão isoladas pelo dielétrico, mas muito próximas. Próximas o bastante para produzir um campo eletro-magnético com intensidade suficiente para criar uma força de atração entre as cargas dos dois lados. É essa atração entre as cargas opostas que permite que a energia seja mantida no capacitor, mesmo que ele seja retirado do circuito. Então ele realmente é capaz de armazenar energia. 

A ideia de usar capacitores para alimentar dispositivos elétricos não é nova, na verdade é bem antiga, o problema é que a quantidade de energia que um capacitor comum consegue armazenar é ridiculamente baixa, mesmo quando comparado a uma pilha AA comum. Claro que a tecnologia vem evoluindo e hoje temos capacitores mais eficientes e com muito maior capacidade que algumas décadas atrás. 

A capacidade de carga de um capacitor depende de muitos fatores, mas principalmente de duas variáveis: a área superficial das placas condutoras e a distância entre elas. Quanto maior a área da superfície das placas, mais carga é possível armazenar nelas. Quanto mais próximas estiverem as placas, mais intenso será o campo eletro-magnético e maior será a atração entre as cargas dos dois lados.

Uma solução que vem sendo empregada a muito tempo para aumentar a superfície das placas é usar finíssimas folhas de metal condutor enroladas em bobinas com um material dielétrico entre elas, isso permite aumentar bastante a superfície das placas sem aumentar muito o tamanho do capacitor. 

Também no material dielétrico houve muita evolução, sempre buscando materiais que permitam diminuir a distância entre as placas sem perder o isolamento elétrico.

Ultracapacitores

Ou megacapacitores ou supercapacitores, usam uma abordagem um tanto diferente das clássicas placas condutoras. Como citado, a capacidade de armazenamento depende da área da superfície do material condutor e da espessura do dielétrico entre os dois polos. Nos ultracapacitores não há exatamente placas e nem folhas metálicas, o que existe é uma nano-estrutura esponjosa de carbono ativado fazendo o papel de uma das placas (eletrodo). Justamente por ser uma estrutura porosa, a área da superfície resultante é enorme mesmo em uma porção diminuta do material. 

Para o que seria a segunda placa, no ultracapacitor 
é usado um líquido condutor chamado de eletrólito. O que ocorre é que a esponja de carbono é mergulhada no eletrólito que penetra pelos seus poros permeando toda a estrutura. Então toda a superfície da estrutura de carbono entra em contato com o líquido. Esse contato produz uma reação química que cria uma película isolante entre o carbono e o eletrólito, que acaba funcionando como dielétrico. 

Portanto além de o eletrodo ter uma área superficial imensa em relação ao volume que ocupa, a espessura do dielétrico é da ordem de algumas moléculas. O resultado é um capacitor com uma capacidade de carga que pode ser centenas de vezes maior que um capacitor comum do mesmo tamanho.

Ultracapacitores

Estes capacitores ainda são muito caros e mesmo tendo uma capacidade de carga muito maior que capacitores comuns, ainda não conseguem competir com baterias mais tradicionais em quantidade de carga armazenada, então o custo benefício não é tão favorável assim, mas isso está mudando. Conforme estes componentes se popularizarem, a produção tende a ficar mais barata. E quanto à capacidade de carga, eles ainda estão no início de sua evolução, muito pode ser pode ser melhorado em uma tecnologia tão recente.

Carga e descarga

Mas mesmo depois que os ultracapacitores baratearem e evoluírem, ainda assim as baterias químicas vão continuar tendo seu espaço em projetos de eletrônica. As características de carga e descarga são na prática opostas quando comparamos as duas tecnologias. 

Ao contrário das baterias químicas, um ultracapacitor tem uma resistência interna praticamente desprezível, então nada limita a corrente durante a carga e descarga. Isso significa que ele pode ser carregado em segundos, ou talvez em frações de segundo. Também quer dizer que o capacitor é capaz de entregar toda a energia armazenada nele de uma só vez em um pulso super-potente.

Essa característica torna os ultracapacitores apropriados para aplicações onde é necessário usar uma grande quantidade de energia em um intervalo de tempo muito curto. Por exemplo, estes capacitores já estão sendo usados para alimentar motores de partida de caminhões.

Na verdade o problema com os ultracapacitores é justamente conseguir que entreguem lentamente, um pouco por vez, a energia que armazenam como fazem as baterias químicas. Para conseguir isso é necessário acrescentar um circuito limitador de corrente, que como todo circuito, vai consumir alguma energia diminuindo a eficiência do capacitor.

Já as baterias químicas dependem de reações químicas para armazenar e fornecer energia. Então embora possam ter uma capacidade de armazenamento de energia muito grande, não podem ser carregadas rapidamente e nem fornecer energia em grande quantidade, mesmo por um período curto de tempo. Mas são perfeitas para alimentar dispositivos de baixo consumo por longos períodos de tempo.

Sistemas híbridos

Não demorou muito para que surgisse a ideia de combinar os ultracapacitores com baterias químicas para juntar as vantagens das duas tecnologias. Um sistema misto usando baterias e ultracapacitores é capaz de prover um fornecimento constante de baixa corrente por um longo período de tempo e eventualmente, quando for necessário, fornecer por um breve período uma descarga de alta potência. 

Sistemas de som automotivo já usam dispositivos com ultracapacitores para alimentar os subwoofers e evitar danos à bateria do carro. O consumo de energia em sistemas de som de alta potência varia de acordo com a música. Em momentos de uso intensivo dos subwoofers, o consumo pode atingir níveis que a bateria do carro não consegue suprir. Nesses momentos o ultracapacitor entra em cena complementando o suprimento de energia. Circuitos embutidos no dispositivo cuidam da carga e descarga dos capacitores e podem oferecer recursos como auto desligamento, voltímetros, leds de status e outros.

Essas belezinhas são caras, mas sua potência impressiona. Na foto abaixo um ultracapacitor de 50 Farads para sistemas de som automotivos. Se fosse carregado com 16 volts e descarregasse toda a energia armazenada em 1 segundo, a potência liberada seria de 6,4 kW/s. 

Ultracapacitor automotivo de 50 Farads