Uma introdução aos supercapacitores

O capacitor é um componente passivo de dois terminais, amplamente utilizado na eletrônica. Quase todos os circuitos que encontramos na eletrônica, usam um ou mais capacitores para diversos usos. Capacitores são os componentes eletrônicos mais usados ​​depois dos resistores. Eles têm uma habilidade especial para armazenar energia. Existem diferentes tipos de capacitores disponíveis no mercado, mas um que está ganhando popularidade recentemente e promete uma substituição ou alternativa de baterias no futuro, são supercapacitores ou também conhecidos como ultracapacitores. Um supercapacitor nada mais é do que um capacitor de alta capacidade com valores de capacitância muito maiores do que os capacitores normais, mas limites de tensão mais baixos. Eles podem armazenar de 10 a 100 vezes mais energia por unidade de volume ou massa do que os capacitores eletrolíticos, podem receber e fornecer carga muito mais rápido do que baterias e toleram mais ciclos de carga e descarga do que as baterias recarregáveis.

Supercapacitores ou Ultracapacitores são uma nova tecnologia de armazenamento de energia que se desenvolveu fortemente nos tempos modernos. Os supercapacitores estão proporcionando benefícios industriais e econômicos significativos

A capacitância de um capacitor é medida em Farad (F), como.1uF (microfarad), 1mF (milifarad). No entanto, enquanto os capacitores de valor mais baixo são bastante comuns na eletrônica, capacitores de valor muito alto também estão disponíveis, os quais armazenam energia em uma densidade muito mais alta e disponível em um valor de capacitância muito alto, provavelmente em Farad.

Na imagem acima, uma imagem de supercapacitor 1Farad de 2,7 V disponível localmente é mostrada. A tensão nominal é muito mais baixa, mas a capacitância do capacitor acima é bastante alta.

Benefícios do Super-Capacitor ou Ultra-Capacitor

A demanda de Supercapacitores está aumentando dia a dia. A principal razão para o rápido desenvolvimento e demanda é devido a muitos outros benefícios dos Supercapacitores, poucos deles são declarados abaixo:

• Ele fornece uma vida útil muito boa de aproximadamente 1 milhão de ciclos de carga.
• A temperatura operacional é de -50 graus a 70 graus quase, o que o torna adequado para uso em aplicações de consumo.
• Uma alta densidade de potência de até 50 vezes, que é alcançada por baterias.
• Materiais nocivos, metais tóxicos não fazem parte do processo de fabricação dos Supercapacitores ou Ultracapacitores, o que os torna certificados como componentes descartáveis.
• É mais eficiente do que baterias.
• Não requer manutenção em comparação com as baterias.

Os supercapacitores armazenam energias em seu campo elétrico, mas no caso das baterias, eles usam compostos químicos para armazenar energias. Além disso, devido à sua capacidade de carga e descarga rápidas, os Supercapacitores estão lentamente entrando no mercado de baterias. Baixa resistência interna com eficiência muito alta, nenhum custo de manutenção, maior vida útil são as principais razões para sua alta demanda no mercado moderno de fontes de energia.

Energias no capacitor

Uma loja de condensador energias em forma de Q = C x V. Q representa carga em Coulombs, C significa capacitância em Farads e V significa tensão em volts. Portanto, se aumentarmos a capacitância, a energia armazenada Q também aumentará.

A unidade de capacitância é Farad (F), que leva o nome de M. Faraday. Farad é a unidade de capacitância em relação a coulomb / volt. Se dissermos um capacitor com 1 Farad, ele criará uma diferença de potencial de 1 volt entre suas placas dependendo da carga de 1 coulomb.

1 Farad é um capacitor de valor muito grande para ser usado como um componente eletrônico geral. Em eletrônica, geralmente, a capacitância microfarad para Pico farad é usada. Microfarad é denotado como uF (1 / 1.000.000 Farad ou 10 ^-6 F), nano farad como nF (1 / 1.000.000.000 ou 10 ^-9 F) e Pico farad como pF (1 / 1.000.000.000.000 ou 10 ^-12 F)

Se o valor ficar muito mais alto, como mF para poucos Farads (geralmente <10F), significa que o capacitor pode reter muito mais energias entre suas placas, esse capacitor é chamado de Ultra capacitor ou Supercapacitor.

A energia armazenada em um capacitor é E = ½ CV ² Joules. E é a energia armazenada em joules, C é a capacitância em Farad e V é a diferença de potencial entre as placas.

Construção de

Supercapacitor é um dispositivo eletroquímico. Curiosamente, não existem reações químicas responsáveis ​​pelo armazenamento de suas energias elétricas.Têm uma construção única, com uma grande placa condutora ou eletrodo, que estão próximos a uma área superficial muito pequena. Sua construção é a mesma de um capacitor eletrolítico com um eletrólito líquido ou úmido entre seus eletrodos. Você pode aprender sobre os diferentes tipos de capacitores aqui.

O supercapacitor atua como um dispositivo eletrostático armazenando sua energia elétrica como o campo elétrico entre os eletrodos condutores.

Os eletrodos, vermelho e azul, são revestidos de dupla face. Eles geralmente feitos de carbono grafite na forma de nanotubos de carbono ou géis ou um tipo especial de carvões ativados condutores.

Para bloquear o grande fluxo de elétrons entre os eletrodos e a passagem do íon positivo, é usada uma membrana porosa de papel. A membrana de papel também separa os eletrodos. Como podemos ver na imagem acima, a membrana de papel porosa está situada no meio e é de cor verde. Os eletrodos e o separador de papel são impregnados com o eletrólito líquido. A folha de alumínio é usada como um coletor de corrente que estabelece a conexão elétrica.

A placa de separação e a área das placas são responsáveis ​​pelo valor da capacitância do capacitor. A relação pode ser denotada como

Onde, Ɛ é a permissividade do material presente entre as placas

A é a área da placa

D é a separação entre as placas

Portanto, no caso de supercapacitor, a superfície de contato precisa ser aumentada, mas há uma limitação. Não podemos aumentar a forma física ou o tamanho do capacitor. Para superar esta limitação, tipos especiais de eletrólitos são usados ​​para aumentar a condutividade entre as placas, aumentando assim a capacitância.

Os supercapacitores também são chamados de capacitores de camada dupla. Existe uma razão por trás disso. Separação muito pequena e grande área de superfície usando eletrólito especial, a camada superficial de íons eletrolíticos forma uma camada dupla. Ele cria a construção de dois capacitores, um em cada eletrodo de carbono e denominado um capacitor de camada dupla.

Essas construções têm uma desvantagem. A voltagem através do capacitor tornou-se muito baixa por causa da voltagem de decomposição do eletrólito. A tensão é altamente dependente do material eletrolítico, o material pode limitar a capacidade de armazenamento de energia elétrica do capacitor. Portanto, devido à baixa tensão do terminal, um supercapacitor pode ser conectado em série para armazenar a carga elétrica em um nível de tensão útil. Devido a isso, o supecapacitor em série produz uma tensão maior que o normal e, em paralelo, a capacitância ficou maior. Isso pode ser claramente compreendido pela técnica de construção de matriz de supercapacitor abaixo.

Supercapacitor Array construção

Para armazenar a carga em uma voltagem útil necessária, os supercapacitores precisam ser conectados em série. E para aumentar a capacitância, eles devem ser conectados em paralelo.

Vamos ver a construção do array do Supercapacitor.

Na imagem acima, a voltagem da célula de uma única célula ou capacitor é denotada como Cv, enquanto a capacitância de uma única célula é denotada como Cc. A faixa de tensão de um supercapacitor é de 1 V a 3 V, as conexões em série aumentam a tensão e mais capacitores em paralelo aumentam a capacitância.

Se criarmos a matriz, a tensão em série será

Tensão total = Tensão da célula (Cv) x Número de linhas

E a capacitância em paralelo será

Capacitância total = Capacitância da célula (Cc) x (número de coluna / número de linha)

Exemplo

Precisamos criar um dispositivo de armazenamento de backup e, para isso, é necessário um super ou supercapacitor 2,5F com classificação de 6V.

Se precisarmos criar o array usando capacitores de 1F com classificação de 3 V, então qual será o tamanho do array e as quantidades dos capacitores?

Tensão total = Tensão da célula x número da linha Então, número da linha = 6/3 Número da linha = 2

Significa que dois capacitores em série terão uma diferença de potencial de 6V.

Agora, a capacitância, Capacitância total = capacitância da célula x (número da coluna / número da linha) Então, número da coluna = (2,5 x 2) / 1

Então, precisamos de 2 linhas e 5 colunas.

Vamos construir a matriz,

A energia total armazenada na matriz é

Os supercondensadores são bons para armazenar energia e onde uma carga ou descarga rápida é necessária. É amplamente utilizado como dispositivos de backup, onde uma fonte de alimentação de backup ou descarga rápida é necessária. Eles são usados ​​em impressoras, carros e vários dispositivos eletrônicos potáveis.