Os capacitores são principalmente dispositivos de armazenamento de carga, mas, em comparação com as baterias, têm muito menos capacidade de armazenamento de carga. Porém, sua vida útil é muito superior à das baterias, o princípio básico de funcionamento dos capacitores é o mesmo, apesar de serem divididos em diferentes categorias com base na sua construção interna. O capacitor de grafeno é um tipo de supercapacitor que possui camadas de grafeno que proporcionam uma movimentação muito mais livre dos elétrons e permitem a dissipação de calor de forma eficaz.
Contorno:
- O que são supercapacitores?
- Funcionamento de supercapacitores
- Supercapacitor de grafeno
- Eletrodos à base de grafeno em supercapacitores
- Desempenho de supercapacitores baseados em grafeno
- Conclusão
O que são supercapacitores?
Para entender o capacitor de grafeno, é necessário ter conhecimento sobre os supercapacitores, pois o capacitor de grafeno também se enquadra na categoria de supercapacitores. Ao contrário dos capacitores gerais, os capacitores de ceia possuem uma construção interna diferente, o que também afeta suas propriedades. O supercapacitor possui eletrólitos que são separados por um meio isolante e possuem eletrodos de carvão ativado que ficam em contato com o eletrólito. O eletrólito é principalmente ácido sulfúrico ou óxido de potássio, e o separador geralmente é Kapton:
Funcionamento de Supercapacitores
Quando um supercapacitor não está conectado a nenhuma fonte de energia, as cargas, independentemente de sua polaridade, são espalhadas pelo eletrólito, quando a fonte de energia está conectada a ele, a corrente começa a fluir do capacitor e, à medida que o ânodo obtém a carga positiva, todos eles os íons negativos no eletrólito tendem a se mover em direção ao eletrodo anódico. Considerando que o cátodo fica carregado negativamente e todos os íons positivos se movem em direção ao cátodo:
Essa força de atração entre o eletrodo e o eletrólito é a força eletrostática e essa atração dos íons pelos eletrodos provoca a formação da dupla camada elétrica. Esta camada é responsável por armazenar cargas e devido à formação desta camada os supercapacitores também são chamados de capacitores elétricos de dupla camada.
É assim que o supercapacitor é carregado e quando qualquer carga é conectada aos terminais do supercapacitor, a carga nos eletrodos começa a fluir da carga. Desta forma, ambos os eletrodos começam a perder carga porque não conseguem atrair as cargas e como resultado, quando todas as cargas saem dos eletrodos, o capacitor é descarregado.
Então agora os íons estão novamente espalhados pelos eletrólitos, e é assim que funciona um supercapacitor simples.
Supercapacitor de grafeno
O grafeno vem do grafite, que está principalmente dentro dos lápis e é um eletrodo de carbono com o mesmo número de átomos, mas estes estão dispostos de forma diferente. Ao contrário do grafite, o grafeno possui uma camada bidimensional de átomo único disposta em forma de favo de mel hexagonal. Esta estrutura permite que os átomos criem fortes ligações covalentes, o que lhe confere maior resistência à tração e alta flexibilidade. Devido a essas propriedades, o grafeno permite que os elétrons se movam livremente e tenham maior condutividade elétrica.
Como os supercapacitores possuem distâncias mais curtas entre as placas, o que lhes permite armazenar mais carga estática, o grafeno possui uma camada muito fina do tamanho de um átomo em comparação com a camada de alumínio. Assim, o capacitor de grafeno possui substancialmente mais área superficial, o que lhe permite armazenar mais energia em comparação com outros supercapacitores.
Eletrodos à base de grafeno em supercapacitores
O grafeno, conforme mencionado acima, fornece uma área de superfície maior que aumenta a capacidade do capacitor de armazenar carga. Diversas técnicas são utilizadas para a fabricação de eletrodos utilizando grafeno e duas delas são:
Fabricação por Espuma de Grafeno
O eletrodo de grafeno criado com espuma de grafeno fornece eletrodos de maior condutividade, leves e flexíveis, cuja área pode ser estendida até vários cm 2 e a altura até vários milímetros. A espuma de grafeno é criada pela técnica de deposição química de vapor, crescendo-a em uma espuma de níquel ou cobre. Quando uma espuma de grafeno é criada sobre espuma de cobre, ela produz uma camada de grafeno de alta qualidade, mas a estrutura pode entrar em colapso facilmente quando o suporte metálico é removido. No entanto, uma espuma de níquel pode ser usada para criar uma camada de grafeno multicamadas que pode ser cuidadosamente puxada do suporte metálico sem qualquer dano. Além disso, o óxido de grafeno reduzido também pode ser formado através da espuma de níquel usando esta síntese química. Alguns aditivos são usados com o grafeno que ajudam a alcançar alta densidade de potência e fornecem caminhos mais curtos para os elétrons e íons, aumentando assim a velocidade das cargas. Esses aditivos podem ser óxidos metálicos, polímeros condutores e hidróxidos metálicos, o que torna a fabricação de eletrodos à base de grafeno menos dispendiosa.
A imagem acima ilustra o processo de formação da camada de grafeno usando o método de deposição química de vapor.
Fabricação por escrita a laser
O método de escrita a laser é comparativamente mais barato e produz grafeno poroso 3D em uma única etapa, reduzindo a técnica de redução de grandes áreas. Neste método, primeiro, uma fina camada de grafeno é depositada no modelo e, em seguida, o laser comercial irradia a camada de óxido de grafeno. Quando a luz do laser incide sobre o óxido de grafeno, ela cria um material condutor poroso na área de exposição.
Como resultado, a área superficial dos íons eletrolíticos aumenta e o teor de oxigênio é consideravelmente reduzido. Como no método anterior, alguns aditivos podem ser usados na escrita direta a laser, ou seja, o substrato pode ser uma mistura de óxido de grafeno e polímero ou o substrato também pode ser apenas polímero. Aqui está uma imagem que ilustra o processo de escrita direta a laser:
Desempenho de supercapacitores baseados em grafeno
Os capacitores de grafeno possuem transferência efetiva de elétrons e íons, o que resulta em alta capacidade gravimétrica e volumétrica. Além disso, eles exibem uma maior estabilidade da taxa de ciclo e maior capacidade energética.
Para estudar o desempenho e o comportamento de vários dispositivos de armazenamento de energia, é utilizado um gráfico Ragone, no qual o valor da energia específica (Wh/Kg) é plotado em relação à potência específica (W/Kg). O gráfico usa uma escala logarítmica para ambos os eixos. O eixo y mede a energia específica, que é a quantidade de energia por unidade de massa. O eixo x mede a densidade de potência, que é a taxa de entrega de energia por unidade de massa.
Um ponto no gráfico de Ragone, portanto, fornece a quantidade de tempo durante o qual a energia (por unidade de massa) no eixo y pode ser entregue na potência (por unidade de massa) no eixo x, e esse tempo ( em uma hora) é dado como a razão entre a energia e as densidades de potência. Posteriormente, as isocurvas (tempo de entrega constante) em um gráfico Ragone são linhas retas com inclinação unitária. O gráfico Ragone abaixo mostra a energia específica (Wh/Kg) versus a potência específica (W/Kg) para vários dispositivos de armazenamento de energia:
Conclusão
O capacitor de grafeno é um tipo de supercapaitor que possui eletrodos feitos de grafeno proveniente do grafite. O grafeno fornece uma grande área de superfície ao eletrólito, o que resulta em um aumento na capacitância e também possui um pequeno tempo de carregamento. Além disso, existem diversas técnicas para a criação de eletrodos de grafeno, duas delas são: espuma de grafeno e escrita direta a laser.