Como a lignina ajuda a criar uma tecnologia de supercapacitor revolucionária

Os supercapacitores são um candidato promissor para fornecer energia aos veículos elétricos do futuro, especialmente em locais urbanos onde há potencial para uma infraestrutura de carregamento significativa. No entanto, os supercondensadores são frequentemente desconsiderados devido aos altos custos de produção.

Em um novo estudo publicado na Advanced Science , pesquisadores do Imperial College London e University College London descreveram como criaram novos eletrodos supercapacitores autônomos com alta capacidade de armazenamento de energia, fazendo uso de um subproduto orgânico da fabricação de papel chamado lignina.

No estudo, a lignina foi usada como substituto para materiais caros à base de grafeno. A equipe de estudo criou uma estrutura de eletrodo autônomo que é mais leve e mais compacta do que os eletrodos convencionais, mantendo a capacidade de armazenamento.

Para criar seu dispositivo, a equipe desenvolveu uma técnica revolucionária envolvendo esteiras de nanofibras de lignina sendo comprimidas em uma estrutura densa. A equipe adaptou a microestrutura de seus eletrodos, diminuindo a quantidade de orifícios do tamanho de um micrômetro que não ajudam no armazenamento de energia. O processo manteve a porosidade das fibras individuais, que armazenam energia elétrica. Os pesquisadores usaram imagens avançadas para ver as microestruturas de seus eletrodos em três dimensões. A equipe de estudo disse ser capaz de visualizar de forma abrangente a microestrutura dos dispositivos supercapacitores é fundamental para melhorar a tecnologia.

Os pesquisadores disseram que é crucial desenvolver um substituto mais acessível e sustentável para os projetos de eletrodos atuais. A equipe destacou a importância de reduzir os custos de produção e a dependência de materiais essenciais para que os supercapacitores desempenhem um papel na descarbonização da indústria de transporte, juntamente com células de combustível e baterias.

Em outro estudo publicado em junho de 2020 na Energy Storage , pesquisadores da Texas A&M University detalharam um supercapacitor que também foi produzido a partir de lignina. Para fazer seu eletrodo, a equipe do Texas submeteu a lignina purificada ao permanganato de potássio, um desinfetante comum. Em seguida, eles aplicaram alta temperatura e pressão para desencadear uma reação de oxidação que levou à degradação do permanganato de potássio e deposição de dióxido de manganês. A mistura resultante de lignina e dióxido de manganês foi então aplicada a uma placa de alumínio para criar o novo eletrodo.

Usando o novo projeto de eletrodo, os pesquisadores descobriram que o supercapacitor resultante tinha qualidades eletroquímicas muito seguras. Especificamente, eles descobriram que a capacitância não foi afetada por milhares de ciclos de carga e descarga. A capacitância específica também foi encontrada até 900 vezes acima do que foi encontrado para supercondensadores comparáveis.

Melhor do que baterias?
Mesmo sendo a tecnologia padrão para veículos elétricos no momento, as baterias de íon-lítio podem não ser a solução definitiva. Os supercapacitores oferecem respostas para alguns problemas em andamento com carros totalmente elétricos e podem oferecer benefícios para veículos híbridos.

Os supercapacitores são usados ​​atualmente em sistemas de frenagem regenerativa. Sua alta densidade de potência permite armazenar e descarregar rapidamente a potência, o que é bastante útil para reunir a energia gerada pelos freios de um carro.

Ao contrário de armazenar energia em produtos químicos, os supercapacitores mantêm a eletricidade em um estado estático e, porque dependem mais da física do que da química, os supercapacitores não diminuem tão rapidamente quanto as baterias de íon-lítio, o que representa uma grande oportunidade para aumentar a longevidade de um elétrico veículo.

De longe, o maior benefício dos supercapacitores em comparação com as baterias de íon-lítio é sua capacidade de carregar e descarregar rapidamente. Um veículo elétrico movido por um supercapacitor pode potencialmente ser carregado em minutos, em vez de horas. Os supercapacitores também são adequados para carregamento sem fio. Quando você adiciona a capacidade de carregamento rápido, torna-se um processo de carregamento rápido e contínuo.

Infelizmente, os supercapacitores não são atualmente capazes de armazenar tanta energia quanto as baterias de íon-lítio e isso os torna menos adequados para carros elétricos. No entanto, eles não devem ser descartados para uso futuro: levou algum tempo para extrair uma faixa de quilometragem satisfatória dos sistemas de íon-lítio.

Outro grande problema com o uso de supercapacitores em veículos é o período de tempo em que eles podem manter a carga. Se você deixasse um carro movido por um supercapacitor no estacionamento de um aeroporto por uma semana, voltaria para encontrá-lo sem nenhum custo. O carregamento rápido pode resolver esta situação particular, um carregador deve estar próximo e ter amperagem suficiente de alguns milhares de amperes. A implantação de infraestrutura de carregamento para supercapacitores não é comercialmente viável, mas à medida que os carros elétricos se tornam mais comuns, a infraestrutura provavelmente se desenvolverá.

Apesar de suas desvantagens, os supercapacitores são úteis em motores híbridos e montadoras como a Lamborghini estão usando-os para aumentar o desempenho. O Lamborghini Sian usa um supercapacitor e um motor elétrico para atingir 0-100 km por hora em apenas 2,8 segundos. Com um preço de cerca de US $ 3 milhões, no entanto, o Sian não é o melhor exemplo de um veículo supercapacitor prático.