Este barco em miniatura foi construído com o supercapacitor estrutural, um material que fornece suporte estrutural e armazena energia.
[Imagem: David Baillot/UC San Diego]

Energia na lataria

Imagine um celular cuja caixa não sirva apenas para proteção e para conter os componentes internos, mas também funcione como reservatório de eletricidade, ou um carro elétrico no qual as portas, piso, teto e capô armazenem energia para alimentar seus motores elétricos.

O conceito de baterias estruturais é antigo, mas transformar as latarias de carros e as fuselagens de aviões em baterias ganhou impulso com o atual processo de eletrificação dos transportes.

Lulu Yao e colegas da Universidade da Califórnia de San Diego desenvolveram agora um supercapacitor estrutural, um dispositivo que fornece suporte estrutural e capacidade de armazenamento de energia - recentemente, uma nova teoria unificou as baterias e capacitores, ampliando a visão sobre o armazenamento de energia.

Embora os supercapacitores estruturais sejam amplamente pesquisados, tem sido um desafio criar um único dispositivo que se destaque tanto no suporte de cargas mecânicas quanto no armazenamento eficiente de energia elétrica. Os supercapacitores tradicionais são ótimos no armazenamento de energia, mas carecem de resistência mecânica para servir como componentes estruturais; enquanto isso, os materiais estruturais ficam abaixo do desejável quando se trata de armazenamento de energia.

O novo material sobressaiu-se justamente nessa busca de equilíbrio entre as duas funções, permitindo adicionar mais energia aos aparelhos eletrônicos e veículos sem adicionar peso extra à estrutura, permitindo-lhes funcionar por mais mais tempo com uma única carga.

O tecido de fibra de carbono fornece resistência estrutural extra, enquanto o grafeno otimiza a função elétrica.
[Imagem: Lulu Yao et al. - 10.1126/sciadv.adh0069]

Supercapacitor estrutural

Para alcançar o melhor dos dois mundos (armazenamento de energia e suporte estrutural) a equipe reengenheirou os eletrodos do supercapacitor, fabricando-os de fibra de carbono tramadas para formar uma espécie de tecido - os componentes padrão de um supercapacitor são um par de eletrodos separados por um eletrólito, que facilita o fluxo de íons entre os eletrodos.

Esse tecido de fibra de carbono fornece uma resistência estrutural substancial, e o material recebeu ainda um revestimento adicional com uma mistura especial composta por um polímero condutor e óxido de grafeno reduzido, o que aumentou significativamente o fluxo de íons e a capacidade de armazenamento de energia.

O eletrólito sólido, outro componente crítico, é uma mistura de resina epóxi e um polímero condutor chamado óxido de polietileno. A resina epóxi oferece suporte estrutural extra, enquanto a incorporação de óxido de polietileno promove a mobilidade iônica, criando uma rede de poros em todo o eletrólito.

Embora este seja um avanço significativo em direção ao armazenamento estrutural de energia, os pesquisadores observam que ainda há trabalho a ser feito: Os supercapacitores em geral têm alta densidade de potência, o que significa que podem fornecer grandes rajadas de energia rapidamente, mas normalmente têm menor densidade de energia em comparação com as baterias. Contudo, usando eletrólitos alternativos, outras equipes já estão conseguindo que os supercapacitores aproximem-se das baterias.

"Nosso trabalho futuro se concentrará em aumentar a densidade de energia do nosso supercapacitor e torná-lo comparável a algumas baterias," disse Yao. "O objetivo final seria alcançar maior densidade de energia e densidade de potência."