Supercapacitor vs bateria

Há um longo debate que os Supercapacitores irão dominar o mercado de baterias no futuro. Alguns anos atrás, quando os Supercapacitores foram disponibilizados, houve um grande exagero sobre ele e muitos esperavam que ele substituísse as baterias em produtos eletrônicos comerciais e até mesmo em veículos elétricos. Mas, nada disso realmente aconteceu, porque tanto os Supercapacitores quanto as Baterias são totalmente diferentes um do outro e têm seus próprios aplicativos.

Curiosidade: quase todos os controladores de airbag modernos são alimentados por supercapacitores, devido ao seu rápido tempo de resposta com baterias.

Comparado com a bateria, o Supercapacitor ou Ultracapacitor é uma fonte de energia de alta densidade ou armazenamento com grande capacitância por um curto período de tempo. Neste artigo, discutiremos Supercapacitor vs Bateria (Lítio / Chumbo-ácido) em vários parâmetros e concluiremos com um estudo de caso para um engenheiro entender onde se pode selecionar um supercapacitor em vez de uma bateria para suas aplicações. Se você é um novato em Supercapacitores, é altamente recomendável aprender o básico sobre Supercapacitores antes de prosseguir.

Densidade de potência

Os supercapacitores têm uma densidade de potência alta do que a mesma bateria nominal. Embora existam diferentes tipos de baterias no mercado, por exemplo, baterias de íon-lítio, polímero e chumbo-ácido têm diferentes densidades de potência, de 1000 Wh por kg a 2000 Wh por kg. As classificações também podem variar muito dependendo do processo de fabricação. O gráfico de comparação abaixo mostra a densidade de potência do Supercapacitor vs Bateria.

Mas, para um supercapacitor, a densidade de potência varia de 2.500 Wh por kg a 45.000 Wh por kg. Isso é muito maior do que a densidade de energia das mesmas baterias classificadas.

Devido à alta densidade de potência, um supercapacitor é uma fonte de energia útil onde é necessária uma corrente de pico maior.

Voltagem da célula

Em diferentes tipos de aplicações, geralmente a tensão de entrada é um grande fator. Obviamente, existem diferentes tipos de reguladores de tensão disponíveis no mercado, mas, ainda assim, a tensão de entrada em um regulador se tornou uma parte importante da aplicação. A figura abaixo mostra a tensão de saída do Supercapacitor vs Bateria para o mesmo número de células.

Por exemplo, uma aplicação com um regulador de tensão linear como o 7812 requer pelo menos uma entrada de 15V. Uma bateria de lítio de célula única fornece 3,2 volts na condição de carga mais baixa e 4,2 volts na condição de carga mais alta. Portanto, para compensar com a especificação da tensão de entrada, pelo menos 5 baterias em conexão em série são necessárias, mas o supercapacitor pode fornecer 2,5 volts para saída de 5,5 volts. Os supercapacitores têm uma alta voltagem de célula de 5,5 V em comparação com 3,7 V de uma bateria de lítio típica. Assim, ignorando outras limitações de um supercapacitor, o projetista do circuito pode escolher três supercapacitores de 5,5 volts em série. Sobre a bateria, este é sem dúvida um ponto positivo de supercapacitores em situações de restrição de espaço ou otimização de custos para fins.

Eficiência

Em termos de eficiência, os supercapacitores são 95% mais eficientes do que as baterias, que são 60-80% eficientes em condições de carga total. As baterias em alta carga dissipam o calor que contribui para a baixa eficiência. Além disso, a temperatura da bateria e outros parâmetros devem ser monitorados durante o carregamento e o descarregamento usando um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS), enquanto que em supercapacitores tais sistemas de monitoramento estritos podem não ser necessários. A eficiência do Ultracapacitor em comparação com a bateria é mostrada na figura abaixo. No entanto, deve-se observar que o Supercapacitor também gera calor nominal durante a operação.

Reutilização e vida útil

A vida útil da bateria é altamente dependente dos ciclos de carga e descarga. No caso das baterias de lítio e chumbo-ácido, os tempos de carga e descarga são limitados de 300 a 500 ciclos, às vezes pode ser no máximo 1000 vezes. A vida útil sem a situação de carga e descarga das baterias de lítio pode durar até 7 anos.

Um supercapacitor quase tem ciclos de carga infinitos, ele pode ser carregado e descarregado um grande número de vezes; pode ser de 1 lakh a 1 milhão de vezes. A vida útil de um supercapacitor também é alta. Um supercapacitor pode durar de 10 a 18 anos, enquanto uma bateria de chumbo-ácido pode durar cerca de 3-5 anos apenas.

Fator de Tensão de Descarga

Uma bateria fornece uma tensão de saída relativamente constante. Mas a tensão de saída do supercapacitor diminui durante as condições de descarga. Portanto, ao usar baterias como fonte de alimentação, pode-se usar buck ou regulador de reforço dependendo dos requisitos da aplicação, mas ao usar um supercapacitor, é uma escolha popular usar um conversor de reforço de ampla faixa para compensar a perda de tensão de entrada.

O tempo de carga

Baterias diferentes usam algoritmos de carregamento diferentes. Para carregar baterias de íon de lítio, são usados ​​carregadores de carga de tensão constante e corrente constante. O carregador precisa ser especialmente configurado para detectar a condição de carga da bateria, bem como a temperatura. Para o caso de baterias de chumbo-ácido, é usado o método de carregamento lento.

No geral, para carregar baterias independentemente do íon de lítio ou ácido de chumbo, leva horas para carregar totalmente. O supercapacitor tem um tempo de carregamento rápido; ele precisa de um período muito curto para obter uma carga completa. Portanto, para as aplicações em que o tempo de carga deve ser muito menor, os supercapacitores definitivamente conquistam a mesma capacidade das baterias.

Custo

O custo é um parâmetro importante para questões relacionadas ao design do produto. Os supercapacitores são uma alternativa cara quando usados ​​no lugar das baterias. O custo às vezes fica muito alto, como 10 vezes maior quando comparado com a mesma capacidade da bateria.

Fatores de risco

Baterias de lítio ou chumbo-ácido requerem cuidado ou atenção especial durante as condições de operação ou carregamento. Especialmente para baterias de íon-lítio, a topologia de carregamento precisa ser configurada de forma que a bateria não seja sobrecarregada ou carregada com uma capacidade de corrente maior do que a que a bateria pode realmente aceitar. Isso aumenta o risco de explosão sempre que a bateria é sobrecarregada ou carregada com alta corrente.

Não apenas na condição de carregamento, mas as baterias também precisam ser operadas com cuidado durante situações de descarga. A condição de descarga profunda pode danificar potencialmente a vida útil da bateria. Portanto, a bateria precisa ser desconectada da carga após atingir um determinado nível de estado de carga. Além disso, o curto-circuito de uma bateria é uma situação perigosa.

Os supercapacitores são mais seguros do que as baterias em termos dos fatores de risco acima. No entanto, carregar um supercapacitor usando uma tensão mais alta do que sua classificação é potencialmente prejudicial para os supercapacitores. Mas, ao carregar mais de um único capacitor, pode se tornar um trabalho complexo.

Estudo de caso

Vamos considerar uma situação em que queremos acender 10 LEDs paralelos por 1 hora. Para esta aplicação, vamos descobrir, como engenheiros, devemos considerar o uso de um supercapacitor ou bateria de lítio?

Vamos supor que os LEDs consumam 30mA de corrente a 2,5V. Portanto, a potência de 10 LEDs em paralelo será

2,5 V x 0,03 x 10 = 0,75 Watt

Agora, para 1 hora de uso que é 3600 segundos, a energia necessária pode ser calculada como

3600 x 0,75 = 2700 Joules.

Se considerarmos um Supercapacitor 10F 2,5 V, ele pode armazenar E = 1 / 2CV ^2, que é

½ x 10 x 2,5 ² = 31.25 Joules

Portanto, são necessários pelo menos 85 Supercapacitores em paralelo com a mesma classificação. Obviamente, nesta aplicação específica, a bateria será a primeira escolha. Mas se esta aplicação mudou para uma aplicação específica onde a mesma quantidade de energia é necessária apenas por 30 segundos, o Supercapacitor pode ser uma escolha, pois pode ser carregado muito rápido e pode ser usado por um longo período de tempo.

Conclusão

A comparação acima é feita apenas entre baterias específicas (lítio ou ácido de chumbo) com supercapacitores. No entanto, existem diferentes baterias com diferentes composições químicas. Por outro lado, existem também diferentes supercapacitores com diferentes composições químicas, como um supercapacitor eletrolítico aquoso ou com um supercapacitor líquido iônico, bem como supercapacitores eletrolíticos híbridos e orgânicos também no mercado. Diferentes composições têm diferentes características e especificações de trabalho.

Os supercapacitores têm muito mais pontos positivos em termos de aplicação do que as baterias. Mas também tem lados negativos em comparação com as baterias. Portanto, os usos de supercapacitores são altamente dependentes do tipo de aplicação.