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De 1981 a 2021: Quão emocionante é a história dos capacitores de íons de lítio?
O capacitor de íons de lítio (LIC) é um capacitor híbrido que combina o mecanismo de armazenamento de energia das baterias de íons de lítio com as características estruturais dos supercapacitores. Desde sua primeira introdução em 1981, o desenvolvimento de capacitores de íons de lítio tem sido tão cheio de inovações e avanços quanto o próprio capacitor. Nas últimas quatro décadas, essa tecnologia não só impulsionou mudanças no armazenamento de energia elétrica, mas também desencadeou pesquisas extensivas em campos relacionados. Vamos explorar essa emocionante jornada histórica juntos.
Contexto históricoEm 1981, o Dr. Yamabe da Universidade de Kyoto colaborou com o Dr. Yata da Kanebo Corporation para criar um material chamado PAS, uma tecnologia que lançou as bases para o nascimento dos capacitores de íons de lítio.
No início da década de 1980, a Kanebo registrou várias patentes e começou a se concentrar na comercialização de capacitores PAS e capacitores de íons de lítio. O primeiro capacitor PAS foi disponibilizado comercialmente em 1986, seguido pelos capacitores de íons de lítio em 1991. Com o tempo, a academia e a indústria começaram a valorizar o potencial dos capacitores de íons de lítio, e as equipes de pesquisa trabalharam duro para melhorar o desempenho dos eletrodos e eletrólitos e estender seu ciclo de vida. Em 2010, Naoi et al. desenvolveram com sucesso um material composto de óxido de lítio e titânio (LTO) nanoestruturado e nanofibras de carbono, levando a tecnologia a um novo patamar.
Conceito de capacitores de íons de lítio
Capacitores de íons de lítio são dispositivos híbridos de armazenamento de energia eletroquímica que combinam o mecanismo de intercalação dos eletrodos negativos da bateria de íons de lítio com o mecanismo de camada dupla dos capacitores elétricos de camada dupla. Como resultado dessa estrutura, a densidade de energia dos capacitores de íons de lítio atinge cerca de 20 W⋅h/kg, o que é quatro a cinco vezes maior que a dos capacitores elétricos convencionais de camada dupla. Apesar de sua alta densidade de energia, os capacitores de íons de lítio têm uma densidade de potência comparável à dos capacitores elétricos de camada dupla, pois podem ser descarregados em apenas alguns segundos.
Estrutura do eletrodo
O eletrodo negativo de um capacitor de íons de lítio é um eletrodo semelhante a uma bateria com alta densidade de energia que pode armazenar grandes quantidades de energia elétrica por meio da reação de intercalação reversível de íons de lítio. Entretanto, a degradação do eletrodo se torna uma consideração importante de projeto. Com o avanço da tecnologia, cada vez mais novos materiais de eletrodos têm sido propostos, entre os quais o óxido de lítio e titânio (LTO) tem atraído ampla atenção devido ao seu excelente desempenho.
As vantagens do óxido de lítio e titânio incluem alta eficiência coulômbica, uma plataforma de tensão operacional estável e alteração mínima de volume durante a intercalação de lítio.
Eletrólito e Isolador
Um eletrólito cineticamente correto é crucial para o desempenho dos capacitores de íons de lítio. Um eletrólito ideal deve ter alta condutividade iônica para facilitar que os íons de lítio alcancem os locais dos eletrodos de forma eficiente. Portanto, soluções de sal de íons de lítio não aquosas são geralmente usadas para evitar a degradação do desempenho causada pela reação da água com íons de lítio.
Vantagens e características dos capacitores de íons de lítio
Os capacitores de íons de lítio geralmente têm maior permissividade e melhor densidade de energia do que os capacitores tradicionais, mas sua densidade de energia ainda é menor do que a das baterias de íons de lítio. Os capacitores de íons de lítio apresentam bom desempenho na faixa de temperatura operacional, baixa taxa de autodescarga e ciclo de vida, o que os torna a escolha ideal em uma variedade de aplicações.
Comparação com outras tecnologias
Os capacitores de íons de lítio superam as baterias de íons de lítio tradicionais em densidade de potência e segurança e, claro, também têm tensões de saída mais altas. Comparados com capacitores elétricos de camada dupla, os capacitores de íons de lítio têm maior densidade de energia, mas são inferiores a estes últimos em ciclo de vida. No geral, os capacitores de íons de lítio são uma tecnologia independente adequada para muitos cenários de aplicação específicos.
Desenvolvimento e aplicações futuras
À medida que a tecnologia avança, as aplicações potenciais dos capacitores de íons de lítio estão aumentando. Seja em sistemas de geração de energia eólica, fontes de alimentação ininterruptas UPS, sistemas de geração de energia fotovoltaica ou frenagem regenerativa de veículos pesados, os capacitores de íons de lítio demonstraram desempenho superior. A tendência ascendente dessas aplicações mostra o enorme potencial de mercado.
O desenvolvimento de capacitores de íons de lítio é o resultado da intersecção da ciência dos materiais e da tecnologia eletroquímica, e cada passo nos trouxe novas possibilidades. Diante do futuro, será que os capacitores de íons de lítio conseguirão atender à crescente demanda por energia e o conceito de desenvolvimento sustentável se tornou um tópico sobre o qual precisamos refletir profundamente?
