Materiais inovadores para supercapacitores provenientes de resíduos

O que fazer garrafas de água, ovos, cânhamoe cimento têm em comum? Eles podem ser projetados em dispositivos de armazenamento de energia estranhos, mas funcionais, chamados supercapacitores.

Como o nome sugere, os supercapacitores são como capacitores com maior capacidade. Semelhante a bateriaseles podem armazenar muita energia, mas também podem carregar ou descarregar rapidamente, semelhante a um capacitor. Eles geralmente são encontrados onde muita energia é necessária rapidamente e por um tempo limitado, como uma eletricidade de backup quase instantânea para uma fábrica ou information heart.

Normalmente, os supercapacitores são compostos de dois carbonos ativados ou grafeno eletrodos, eletrólitos para introduzir íons no sistema e uma folha porosa de polímero ou fibra de vidro para separar fisicamente os eletrodos. Quando um supercapacitor está totalmente carregado, todos os íons positivos se reúnem em um lado da folha separadora, enquanto todos os íons negativos estão no outro. Quando descarregado, os íons são distribuídos aleatoriamente e ele pode alternar entre esses estados muito mais rápido do que baterias pode.

Alguns cientistas acreditam que os supercapacitores poderiam se tornar mais tremendous. Eles acham que há potencial para fabricar esses dispositivos de forma mais sustentável, com custos mais baixos e talvez com desempenho ainda melhor se forem construídos com materiais melhores.

E talvez eles estejam certos. No mês passado, um grupo da Universidade Tecnológica de Michigan relatou a fabricação de supercapacitores a partir de garrafas plásticas de água com capacitância maior do que as comerciais.

Esta descoberta significa que os supercapacitores de plástico reciclado estarão em breve por toda parte? A história de supercapacitor semelhante sustentabilidade experimentos sugerem que não.

Há cerca de 15 anos, parecia que os supercapacitores teriam alta demanda. Então, devido aos enormes investimentos em íon de lítio tecnologia, as baterias se tornaram uma competição acirrada, explica Yury Gogotsique estuda materiais para dispositivos de armazenamento de energia na Universidade Drexelna Filadélfia. “Eles se tornaram muito mais baratos e mais rápidos no fornecimento de energia que, para os supercapacitores, o alcance de aplicação tornou-se mais limitado”, diz ele. “Basicamente, a tendência passou de torná-los mais baratos e disponíveis para fazê-los funcionar onde baterias de íon de lítio não pode.”

Ainda assim, alguns investigadores continuam esperançosos de que os dispositivos ecológicos tenham um lugar no mercado. Yun Hold Hucientista de materiais da equipe da Universidade Tecnológica de Michigan, vê “um caminho promissor para a comercialização (para o supercapacitor derivado de garrafas de água) assim que os desafios de coleta e processamento forem resolvidos”, diz ele.

Veja como os cientistas fazem supercapacitores com materiais estranhos e inesperados:

Garrafas de água

Acontece que seu antigo Polônia A garrafa de primavera poderá um dia armazenar energia em vez de água. Último mês na revista Energia e Combustíveisa equipe da Universidade Tecnológica de Michigan publicou um novo método para converter tereftalato de polietileno (PET), o materials que compõe as garrafas plásticas de água descartáveis, em eletrodos e separadores.

Por mais estranho que possa parecer, este processo é “um modelo prático para round armazenamento de energia que pode acompanhar a cadeia de fornecimento de PET existente”, diz Hu.

Para fazer os eletrodos, os pesquisadores primeiro trituraram as garrafas em grãos de 2 milímetros e depois adicionaram hidróxido de cálcio em pó. Eles aqueceram a mistura a 700°C em vácuo durante 3 horas e ficaram com um pó de carbono eletricamente condutor. Depois de remover o cálcio residual e ativar o carbono (aumentando sua área de superfície), eles puderam moldar o pó em uma camada fina e usá-lo como eletrodo.

O processo para produzir os separadores foi muito menos intensivo – a equipe cortou as garrafas em quadrados do tamanho aproximado de uma moeda de 25 centavos de dólar dos EUA ou de uma moeda de 1 euro e usou agulhas quentes para fazer buracos nelas. Eles otimizaram o padrão dos furos para passagem de corrente por meio de software program especializado. PET é um bom materials para separador devido à sua “excelente resistência mecânica, alta estabilidade térmica e excelente isolamento”, diz Hu.

Preenchido com uma solução eletrolítica, o supercapacitor resultante não apenas demonstrou potencial para uso de materiais ecológicos e financeiros, mas também superou ligeiramente o desempenho dos materiais tradicionais em uma métrica. O dispositivo PET tinha capacitância de 197,2 farads por grama, enquanto um dispositivo análogo com separador de fibra de vidro tinha capacitância de 190,3 farads por grama.

Ovos

Espere, não faça seu sanduíche de café da manhã ainda! Você poderia projetar um supercapacitor a partir de um de seus ingredientes. Em 2019, uma equipe da Universidade da Virgínia mostrou que eletrodos, eletrólitos e separadores poderiam ser feitos de partes de um único objeto – um ovo.

Primeiro, o grupo comprou ovos de galinha em supermercados e classificou suas partes em cascas, membranas de casca e claras e gemas.

Eles moeram as cascas até virar pó e misturaram-nas com as claras e as gemas. A pasta foi liofilizada e levada a 950°C durante uma hora para se decompor. Após um processo de limpeza para retirada do cálcio, a equipe realizou tratamentos térmicos e de potássio para ativar o carbono restante. Eles então alisaram o carvão ativado derivado do ovo em um filme para ser usado como eletrodos. Por fim, ao misturar claras e gemas com hidróxido de potássio e deixar secar por várias horas, formaram uma espécie de eletrólito em gel.

Para fazer os separadores, o grupo simplesmente limpou as membranas da casca do ovo. Como as membranas possuem naturalmente fibras entrelaçadas de tamanho micrométrico, suas estruturas inerentes permitem que os íons se movam através delas, assim como fariam os separadores fabricados.

Curiosamente, o supercapacitor totalmente baseado em ovo resultante period flexível, com sua capacitância permanecendo estável mesmo quando o dispositivo period torcido ou dobrado. Após 5.000 ciclos, o supercapacitor reteve 80% de sua capacitância unique – baixa em comparação com os supercapacitores comerciais, mas bastante equivalente a outros feitos de materiais naturais.

Cânhamo

Algumas pessoas podem gostar maconha para fins mais medicinais, mas também tem potencial no armazenamento de energia. Em 2024, um grupo da Universidade Ondokuz Mayıs em Türkiye usado plantas de cânhamo romã para produzir carvão ativado para um eletrodo.

Eles começaram secando os caules das plantas de cânhamo em um forno a 110°C por um dia e depois moeram os caules até virar pó. Em seguida, adicionaram ácido sulfúrico e calor para criar um biocarvão e, por fim, ativaram o carvão saturando-o com hidróxido de potássio e aquecendo-o novamente.

Após 2.000 ciclos, o supercapacitor com eletrodos derivados de cânhamo ainda retinha 98% de sua capacitância unique, o que é surpreendentemente próximo daqueles feitos de materiais não biológicos. O próprio carbono tinha um densidade de energia de 65 watts-hora por quilograma, também em linha com os supercapacitores comerciais.

Cimento

Pode ter influência sobre a indústria da construção, mas será que o cimento está a chegar para o setor de energiatambém? Em 2023, um grupo de MIT compartilhado como eles projetaram eletrodos de água, carbono quase puro e cimento. O uso desses materiais, dizem eles, cria uma “sinergia” entre o cimento hidrofílico e o carbono hidrofóbico que AIDS a capacidade dos eletrodos de reter camadas de íons quando o supercapacitor está carregado.

Para testar a hipótese, a equipe construiu oito eletrodos usando proporções ligeiramente diferentes dos três ingredientes, diferentes tipos de carbono e diferentes espessuras de eletrodo. Os eletrodos foram saturados com cloreto de potássio – um eletrólito – e as medições de capacitância começaram.

Impressionantemente, os supercapacitores de cimento foram capazes de manter a capacitância com poucas perdas, mesmo após 10.000 ciclos. Os investigadores também calcularam que um dos seus supercapacitores poderia armazenar cerca de 10 quilowatts-hora – o suficiente para servir cerca de um terço do consumo diário de energia de um americano médio – embora o número seja apenas teórico.