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Um engenheiro químico diz que a descoberta de um “elo perdido” para descrever o movimento dos íons dentro dos supercapacitores pode levar a laptops e telefones que podem ser carregados em apenas um minuto e a carros elétricos em menos de dez.
Anteriormente, a Lei de Kirchhoff, que descreveu com sucesso o movimento dos elétrons desde 1845, era limitada em sua definição. Isso resultou em um obstáculo de engenharia que impediu a adoção de supercapacitores para substituir baterias de íon-lítio em aplicações comerciais.
Agora, Ankur Gupta, engenheiro químico da Universidade do Colorado em Boulder, diz que suas descobertas modificam a lei de Kirchhoff de uma forma que permite aos engenheiros modelar e prever o movimento de íons através de uma rede de milhares de poros interconectados, como aqueles encontrados em duplos elétricos. supercapacitores de camada.
“Esse é o salto do trabalho”, Gupta disse de sua modificação na Lei de Kirchhoff. “Encontramos o elo perdido.”
Baterias de íon de lítio e supercapacitores
Embora baterias e capacitores armazenem eletricidade, cada um tem suas vantagens e desvantagens distintas. Por exemplo, as baterias podem armazenar significativamente mais energia do que os capacitores. Os supercapacitores fecham um pouco essa lacuna, mas, em média, as baterias de íons de lítio podem armazenar dez vezes mais energia. Esta capacidade tornou as baterias o padrão tanto na electrónica doméstica como nos veículos eléctricos, uma vez que os dispositivos que utilizam supercapacitores precisariam de ser carregados com muito mais frequência do que aqueles que utilizam baterias.
Por outro lado, as baterias acumulam e liberam carga dez vezes mais lentamente que os supercapacitores. Isso resultou em laptops que podem levar mais de uma hora para carregar e em carros elétricos que podem demorar ainda mais. Infelizmente, os supercapacitores vazam suas cargas muito mais rapidamente do que as baterias. De acordo com a revista Car“Se você deixasse um carro movido a supercapacitor na garagem por uma semana, por exemplo, provavelmente o encontraria sem nenhum custo quando voltasse.”
Tem havido alguns esforços para combinar as tecnologias, incluindo a utilização de supercapacitores na travagem regenerativa ou mesmo a utilização de autocarros alimentados por supercapacitores que podem recarregar rapidamente em cada paragem. A Lamborghini até empregou supercapacitores em seus 800 cv supercarro Sian totalmente elétrico para oferecer explosões rápidas de potência extrema. Ainda assim, essas aplicações são a exceção, deixando os supercapacitores e suas vantagens de lado, enquanto as baterias se tornam o padrão da indústria para armazenamento de energia.
Reescrevendo a lei de Kirchhoff para melhorar o armazenamento de energia
Depois de analisar as limitações dos supercapacitores, Gupta se perguntou se abordar o problema da perspectiva de um engenheiro químico poderia lhe oferecer uma perspectiva única.
“Dado o papel crítico da energia no futuro do planeta, senti-me inspirado a aplicar os meus conhecimentos de engenharia química em dispositivos avançados de armazenamento de energia”, disse Gupta. “Parecia que o tema era pouco explorado e, como tal, era a oportunidade perfeita.”
Especificamente, Gupta questionou se o movimento dos íons nos supercapacitores era semelhante ao movimento de outros fluidos em ambientes porosos semelhantes. Se assim for, ele percebeu que os métodos atuais de engenharia poderiam ser melhorados através de modelagem computacional, o que poderia resultar em supercapacitores com potencial de armazenamento de energia muito maior.
“O principal apelo dos supercapacitores reside na sua velocidade”, explicou Gupta. “Então, como podemos acelerar o carregamento e a liberação de energia? Pelo movimento mais eficiente dos íons.”
Conforme observado, a Lei de Kirchoff, que tem sido aceita pela ciência há quase dois séculos, foi a principal barreira. Entretanto, ao estudar sua aplicação no armazenamento de energia, Gupta percebeu que ela parecia aplicar-se apenas ao movimento de elétrons em um único poro. Nos supercapacitores, os íons se acumulam em uma vasta rede de milhares de poros interconectados, o que significa que a lei simplesmente não foi projetada para resolver a situação.
De acordo com a pesquisa de Gupta e seus coautores, Publicados no Anais da Academia Nacional de Ciênciascompreender a dinâmica do carregamento em meios porosos como os supercapacitores “é essencial para os avanços nos dispositivos de armazenamento de energia da próxima geração”.
Aplicando Técnicas de Engenharia Química ao Movimento de Íons
Para tentar esta nova abordagem, Gupta aplicou técnicas de engenharia química usadas para estudar o fluxo em materiais porosos, como reservatórios de petróleo e sistemas de filtragem de água. Isto também envolveu o desenvolvimento de software de modelagem personalizado para caracterizar melhor como os íons podem se mover em estruturas semelhantes. Como esperado, seus esforços resultaram em uma nova forma de prever o movimento de íons em materiais porosos, o que poderia aumentar a eficiência energética dos supercapacitores.
“Nosso modelo de rede fornece resultados até seis ordens de magnitude mais rápidos”, explicam Gupta e seus coautores, “permitindo a simulação eficiente de uma rede triangular de cinco mil poros em 6 min”.
Embora o objetivo possa ser o carregamento mais rápido de carros, laptops e telefones, a equipe de Gupta também acredita que seu trabalho poderia ir além do armazenamento de energia apenas para essas indústrias. Isso inclui aplicações potenciais em uma ampla gama de produtos e sistemas, incluindo “melhorar o design de supercapacitores e permitir eletrodos em microescala impressos em 3D para armazenamento de energia vestível e supercapacitores em aplicações de Internet das Coisas”.
“A descoberta é significativa não apenas para o armazenamento de energia em veículos e dispositivos eletrônicos, mas também para redes elétricas, onde a demanda flutuante de energia requer armazenamento eficiente para evitar desperdício durante períodos de baixa demanda e para garantir o fornecimento rápido durante alta demanda”, anuncia o comunicado de imprensa. as descobertas da equipe acrescentam.
Christopher Plain é romancista de ficção científica e fantasia e redator-chefe de ciências do The Debrief. Siga e conecte-se com ele no X, conheça seus livros em plainfiction.comou envie um e-mail diretamente para ele em christopher@thedebrief.org.
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