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Baterias, supercapacitores e células de combustível

Ilustração de uma bateria que consiste em eletrodos (cátodo carregado positivamente e ânodo carregado negativamente), um eletrólito condutivo e um separador entre os eletrodos.

Baterias, células de combustível e supercapacitores são sistemas que usam diferentes mecanismos de armazenamento e conversão de energia eletroquímica, mas com características eletroquímicas similares para aplicações de alta energia e alta densidade energética.

Baterias

Uma bateria consiste em eletrodos (cátodo (+) e ânodo (-)), um eletrólito condutivo e um separador entre o ânodo e o cátodo. Em baterias recarregáveis de íons de lítio (LIB), os cátions monovalentes de lítio migram entre os eletrodos. Ao descarregar, o ânodo (-) oxida (perde elétrons) e o cátodo sofre redução (ganha elétrons). Durante o carregamento, esse processo é invertido. Devido à sua alta energia, densidade energética, maior segurança e menores custos de materiais, as LIBs revolucionaram a indústria eletrônica e se tornaram parte integrante de vários aspectos das nossas vidas, desde dispositivos móveis até veículos elétricos. Em 2019, o Prêmio Nobel de Química foi concedido aos cientistas que desenvolveram a tecnologia da LIB.

Ilustração de uma célula de combustível de PEM mostrando como a energia química é convertida em energia elétrica usando gás hidrogênio e gás oxigênio como combustível.

Células de combustível

As células de combustível consistem em um ânodo, um cátodo e um eletrólito condutivo, e são frequentemente conectadas em série para formar uma pilha para aumentar a quantidade total de eletricidade gerada. O eletrodo é composto por um material poroso que é revestido por um catalisador para gerar eletricidade. Existem cinco tipos principais de células de combustível, que são diferenciados pelo tipo de eletrólito utilizado: membrana de eletrólito polimérico, óxido sólido, ácido fosfórico, alcalina e de carbonato fundido. A membrana de eletrólito polimérico (PEM), também conhecida como membrana de troca de prótons, é considerada a mais promissora para substituir a tecnologia de célula de combustível alcalina.

As células de combustível foram desenvolvidas como uma tecnologia de energia alternativa devido à sua alta eficiência, baixas emissões e baixo impacto ambiental, superando os motores de combustão tradicionais. As células de combustível geram apenas calor e água como resíduos, o que as torna candidatas promissoras a futuras fontes de energia em uma ampla variedade de aplicações, como dispositivos portáteis, dispositivos estacionários e soluções de transporte.

Exemplo de um supercapacitor feito de dois eletrodos, um eletrólito e um separador para permitir a transferência de íons e, ao mesmo tempo, manter os eletrodos polarizadores separados.

Supercapacitores

Os componentes dos supercapacitores são semelhantes aos das baterias. No entanto, os supercapacitores são caracterizados por sua capacidade de armazenamento de carga. Os materiais dos eletrodos contribuem para o desempenho do armazenamento de um supercapacitor e podem ser divididos em três categorias: capacitores de camada dupla, que agem eletrostaticamente, pseudocapacitores, que agem eletroquimicamente, e capacitores híbridos, que utilizam ambos.

Os supercapacitores são uma fonte de energia de alta densidade com capacidade elevada de armazenamento de energia, longa vida útil e recursos de carregamento rápido, tornando-os ideais para aplicações em veículos híbridos, dispositivos portáteis e captura de energia.


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