Inovações no desenvolvimento de supercapacitores: passado, presente e futuro

A indústria de eletrônica de potência está em uma espiral ascendente e não mostra sinais de enfraquecimento, já que a tendência da eletrificação atinge uma gama mais ampla de domínios industriais e envolve a exigência de dispositivos eletrônicos de potência de alta tecnologia. Nos últimos anos, tem havido um aumento acentuado na necessidade de soluções avançadas de armazenamento de eletricidade, impulsionado pela essencialidade de armazenamento mais rápido, gerenciamento de energia eficiente e otimização de energia.

A natureza orientada a aplicativos da indústria de eletrônicos de potência desempenhou um papel importante no desenvolvimento de soluções de armazenamento de eletricidade, como capacitores. A eficácia relativa do tempo no carregamento de capacitores tem solicitado sua implementação em vários dispositivos de armazenamento de energia. No entanto, ainda há potencial para melhoria na capacidade de armazenamento de eletricidade dos capacitores, o que por sua vez tem levado o desenvolvimento de supercapacitores - também conhecidos como ultracapacitores ou capacitores eletroquímicos (ECs).

Foco em armazenamento eficiente de energia desencadeou o surgimento de supercapacitores

À medida que os desenvolvimentos industriais começaram a girar em torno da tendência de eletrificação, as inovações nos projetos de supercapacitores aceleraram. Gigantes globais, incluindo a General Electric, conduziram experimentos dedicados a melhorias de design em supercapacitores, em uma tentativa de capitalizar sobre a crescente demanda por supercapacitores em indústrias como um facilitador de eletrificação chave. A NEC Corporation foi uma das primeiras empresas a apresentar comercialmente supercapacitores ao mundo; a Standard Oil Company of Ohio (SOHIO) é a principal responsável pela invenção.

Após o surgimento de supercondutores como uma solução de armazenamento de energia mais eficiente, a popularidade da tecnologia EC aumentou instantaneamente. Os designs dos supercapacitores avançaram por várias gerações, desde seu primeiro lançamento comercial. Organizações de pesquisa e empresas líderes na indústria de eletrônicos de potência ainda estão se concentrando na inovação em torno dos métodos e materiais de fabricação para melhorar ainda mais a eficiência de custos e o desempenho dos supercapacitores.

Institutos de pesquisa descobriram procedimentos de fabricação inovadores para supercapacitores

Apesar das excelentes características operacionais dos supercapacitores, os fabricantes ainda estão lutando para controlar os altos custos de fabricação e reduzir a capacidade de armazenamento de energia dos supercapacitores, em comparação com as baterias. Além disso, as preocupações relacionadas à durabilidade a respeito dos supercondensadores têm restringido sua adoção em aplicações industriais até certo ponto. Em resposta a essas preocupações, as empresas de manufatura de supercapacitores têm investido pesadamente em pesquisa e desenvolvimento (P&D) para projetar uma versão mais superior dos supercapacitores.

Algumas das inovações baseadas em pesquisas que moldaram o mercado de supercapacitores nos últimos cinco anos são,

• Em fevereiro de 2013, pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, descobriram um método de fabricação inovador e econômico para fabricar supercapacitores em microescala usando um gravador de DVD LightScribe de consumo. Esses microssupercapacitores consistem em uma camada de carbono grafítico com um átomo de espessura e podem ser facilmente integrados em dispositivos eletrônicos miniaturizados. Com o uso de uma lâmina bidimensional de grafeno em combinação com a nova técnica de fabricação, os pesquisadores puderam reduzir em grande medida os custos de fabricação e ampliar o escopo de aplicações de supercapacitores.
• Em julho de 2013, pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST) desenvolveram um método inovador para produzir em massa nanobola de grafeno mesoporosa tridimensional (MGB) que pode ser usada na fabricação de supercapacitores. Os pesquisadores projetaram que as propriedades do grafeno mesoporoso irão melhorar a escalabilidade, qualidade e eficiência de custo dos supercapacitores, expandindo o escopo de suas aplicações em veículos elétricos.
• Em agosto de 2014, os engenheiros da Monash University na Austrália desenvolveram um novo método de produção de grafeno dentro de supercapacitores para melhorar sua densidade de energia 10 vezes mais do que dispositivos comerciais. Os engenheiros criaram um material de grafeno macroscópico por meio de um processo semelhante ao método tradicional de fabricação de papel. Além disso, eles afirmaram ainda que, ao reduzir o produto químico à base de solução - óxido de grafite no grafeno, os engenheiros poderiam abrir novos caminhos para a comercialização de grafeno e supercapacitores 10x mais densos em energia.
• Um grupo de pesquisadores na Coreia do Sul descobriu um material alternativo incomumente inovador, mas altamente adequado para eletrodos de supercapacitores em agosto de 2014. Eles criaram uma maneira de usar filtros de cigarro em supercapacitores, que podem ser transformados em um material à base de carbono de alto desempenho com alta potência densidades. Os pesquisadores conseguiram usar filtros de cigarro usado para armazenar mais energia elétrica do que o carbono disponível comercialmente.

O foco no desenvolvimento de materiais do supercapacitor onipresente

O movimento em direção ao desenvolvimento de materiais de alto desempenho ganhou palpabilidade absoluta entre os fabricantes de supercapacitores, com a demanda cada vez maior por supercapacitores em várias aplicações industriais, como eletrônicos de consumo vestíveis e veículos elétricos. Embora o grafeno continue a ser um dos materiais adequados para supercapacitores, as atividades de pesquisa em andamento aludem a transformações significativas na paisagem do mercado de supercapacitores.

Um grupo de químicos do Instituto Van't Hoff de Ciências Moleculares da Universidade de Amsterdã inventou um novo material para supercapacitor enquanto conduzia os experimentos para seu projeto de células de combustível. Os pesquisadores descobriram que o material supercapacitor altamente poroso é de baixo custo, leve e não tóxico, e pode ser usado em aplicações comerciais potenciais de supercapacitores, como transporte, eletrônicos e dispositivos de armazenamento de energia.

Outro grupo de cientistas da UC Santa Cruz e do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) usou grafeno impresso em 3D ultrarrápido para reduzir espessuras da ordem de milímetros e melhorar as características de desempenho de supercapacitores, incluindo densidades de potência e retenção de capacitância.

Um supercapacitor dobrável foi feito de papel comum por engenheiros da Georgia Tech e da Korea University que poderia armazenar mais energia por mais tempo, especialmente em produtos eletrônicos vestíveis, pois é flexível. Cientistas, engenheiros e pesquisadores de todo o mundo estão se concentrando principalmente em equilibrar a densidade de potência e a densidade de energia dos supercapacitores para evitar a perda de potência de uma vez.

Os desenvolvimentos e inovações recentes nos materiais usados ​​na fabricação de supercapacitores se concentram principalmente na redução da possibilidade de autodescarga ou curto-circuito. As partes interessadas no mercado de supercapacitores pretendem capitalizar sobre várias características de desempenho de pseudo-capacitores e capacitores híbridos, que podem refletir densidade de energia mais alta do que quaisquer outros tipos de supercapacitores.

Embora a demanda por capacitores elétricos de camada dupla permaneça alta em todo o mercado de supercapacitores, os capacitores híbridos estão testemunhando um aumento na demanda em várias aplicações industriais.

Indústria automotiva - área de potencial de crescimento chave para fabricantes de supercapacitores

O setor automotivo é a área com alto potencial de crescimento para fabricantes de dispositivos de armazenamento de energia de alta qualidade, como supercapacitores, atualmente. Em 2013, aplicações automotivas de supercapacitores responderam por menos de 1/5 ^th da parcela da receita do mercado de supercapacitores. No entanto, com os desenvolvimentos recentes na indústria automotiva, os automóveis tornaram-se uma das aplicações mais importantes dos supercapacitores.

Com os fabricantes automotivos se concentrando na redução da dependência da indústria do petróleo e os órgãos governantes impondo regulamentações ambientais rígidas, as perspectivas de crescimento para os veículos elétricos parecem promissoras. Isso levou os fabricantes de supercapacitores a vislumbrar oportunidades lucrativas na indústria automotiva em rápida evolução.

O desenvolvimento de supercapacitores adequados para veículos elétricos ou veículos elétricos híbridos é uma das estratégias de negócios mais importantes das empresas de manufatura de supercapacitores. Por outro lado, os fabricantes automotivos também estão na corrida para lançar veículos elétricos mais eficientes, o que justificou sua busca por sistemas de armazenamento de energia de alta qualidade. Em última análise, isso se reflete no escopo cada vez maior para inovações em supercapacitores na indústria automotiva em rápida evolução.

Em fevereiro de 2019, a Tesla Inc. - gigante global nas indústrias automotiva e de energia - anunciou que adquiriu a Maxwell Technologies Inc. - uma empresa líder em tecnologia de baterias - por aproximadamente US $ 218 milhões. A empresa pretende capitalizar oportunidades lucrativas para veículos elétricos e, com essa aquisição, planeja agregar experiência na área de supercapacitores que podem acelerar a capacidade de carregamento de automóveis.

Em maio de 2018, a Rolls-Royce - fabricante mundial de carros de luxo - firmou um acordo de colaboração com a Superdielectrics Ltd - uma start-up de tecnologia com sede no Reino Unido, para explorar o potencial dos supercapacitores e criar um armazenamento de alta energia de última geração tecnologia. Com esta parceria, a Roll-Royce pretende combinar sua experiência em ciência de materiais com os polímeros hidrofílicos da Superdielectrics para o desenvolvimento de aplicações de baterias de supercapacitores de classe mundial.

A Lamborghini é outra montadora líder a se juntar ao grupo de empresas automotivas que planejam alavancar as características extraordinárias dos supercapacitores durante a eletrificação da indústria automotiva. O diretor técnico da empresa declarou recentemente que a empresa já havia usado supercapacitores no Lamborghini Aventador para a bateria de arranque. Os especialistas prevêem que o sucessor do Aventador pode usar supercapacitores idênticos.

A constante evolução da indústria automotiva criou um ambiente competitivo muito estimulante para os fabricantes de supercapacitores. A busca por avanços constantes no desempenho dos supercapacitores provavelmente desencadeará algumas inovações revolucionárias no mercado de supercapacitores nos próximos anos.

Papel dos Supercapacitores nas Perspectivas de Eletrônica e Energia e Indústrias de Energia

Espera-se que a indústria automotiva e de transporte responda por mais de um terço da parcela da receita do mercado de supercapacitores na próxima década. Apesar do futuro glorificado para os supercondensadores na indústria automotiva da nova era, os eletrônicos de consumo e as indústrias de energia e energia provavelmente terão uma fatia de leão no desenvolvimento do mercado de supercondensadores.

Os supercapacitores são considerados o carro-chefe de qualquer produto eletrônico que funciona com baterias ou sistemas de armazenamento de energia. Nos próximos anos, os supercapacitores provavelmente testemunharão a aceitação onipresente em vários setores da indústria. O futuro do mercado de supercapacitores provavelmente testemunhará o surgimento de CEs que impulsionarão o futuro dos wearables modernos e produtos eletrônicos de consumo. Os supercapacitores solares também são uma coisa do futuro, que se espera ter um grande potencial de vendas no cenário de sensores vestíveis, especialmente em dispositivos portáteis de saúde.

As atividades de pesquisa em andamento e os desenvolvimentos na indústria de eletrônica de potência continuam a sugerir que os supercapacitores substituam as baterias em um futuro próximo. Com o aumento das aplicações de supercapacitores em vários setores industriais, como eletrônicos, energia e potência, militar e defesa e aeroespacial, o mercado global de supercapacitores deverá ultrapassar US $ 5,5 bilhões até 2028. A taxa de crescimento exponencial do mercado de supercapacitores é espera-se que amplie oportunidades lucrativas para pesquisadores, fabricantes e outras partes interessadas no cenário.

Aditi Yadwadkar é uma experiente redatora de pesquisas de mercado e tem escrito extensivamente sobre a indústria de eletrônicos e semicondutores. No Future Market Insights (FMI), ela trabalha em estreita colaboração com a equipe de pesquisa de eletrônicos e semicondutores para atender às necessidades de clientes em todo o mundo. Esses insights são baseados em um relatório sobre o mercado de supercapacitores da FMI.