Ultracondensadores

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Ultracondensadores

  1. 1. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 1Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresInstantâneaUltracondensadoresEnergiaNão concordo com o acordo ortográfico
  2. 2. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 2Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresEngenheiros tomam as maravilhas da ciência, matemática e natureza, e empacotam-nasde uma maneira especial com esperança e sonhos. para fazer um futuro melhor para todos.Os Engenheiros são como feiticeiros bons, com sabedoria e truques namanga, utilizando as forças da natureza para fazerem tarefas ou trabalhosespeciais.O que fazem os engenheiros?
  3. 3. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 3Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresComponentes Electrónicos Amigos do AmbienteArmazenamento deEnergiaIluminação LEDDistribuiçãohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitor
  4. 4. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 4Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensador: Armazenamento de EnergiaUltracondensadores: Segmentos de MercadoConsumidorTelecomIndústriaVeículosRenováveis
  5. 5. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 5Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadoresOs engenheiros da “General Electric” em experiências com dispositivos que utilizameléctrodos de carbono poroso observaram pela primeira vez o efeito EDLC em 1957. Elesacreditavam que a energia era armazenada nos poros do carbono e o dispositivo exibia“uma capacitância excepcionalmente alta", embora o mecanismo fosse desconhecidonaquela época .General Electric não deu seguimento a este trabalho. Em 1966, pesquisadores da StandardOil de Ohio, desenvolveu a versão moderna dos dispositivos, depois de acidentalmenteredescobrir o efeito enquanto estavam trabalhando em projectos experimentais de célulasde combustível . O Seu projecto de células combustíveis usava duas camadas de carvãoactivado, separadas por um isolante fino poroso , e este projecto de base mecânica,permanece a base de fabrico da maioria dos condensadores eléctricos de dupla camada.A Standard Oil também não conseguiu comercializar a sua invenção. O licenciamento datecnologia á NEC, que finalmente obteve resultados com "supercondensadores",comercializados em 1978, para fornecer energia de emergência para manter a memóriade computadores.EDLC – Electroquimical Double Layer CapacitorHistória:
  6. 6. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 6Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUm supercondensador ou ultracondensador é um condensador electroquímico que tem uma densidadede energia invulgarmente elevada quando comparado com os condensadores comuns. Eles são departicular interesse em aplicações automobilísticas, para veículos híbridos e como armazenamentosuplementar para baterias de veículos eléctricos..Uma das primeiras soluções Electrónicas comerciais alimentados por um supercondensador únicodescrito por "Single capacitor powers audio mixer" num artigo de Alexander Bell (EDN, March 14,1997). Um circuito cuidadosamente concebido, que utilizava energia de micro-amplificadores esupercondensadores de grandeza na ordem dos farads (SuperCap ™ ou DynaCap ™) e podia funcionarpor mais de 2 horas com uma única carga. Também demonstrou a capacidade de ser carregado muitorapidamente (em cerca de dez segundos) em comparação com as horas necessárias para astradicionais baterias recarregáveis. Devido ao elevado número ciclos de carga-descarga docondensador (milhões ou mais em comparação com 200-1000 para baterias recarregáveis​​ maiscomercialmente disponíveis ), não havendo partes descartáveis ​​durante toda a vida operacional dodispositivo, o que o tornou numa solução muito amiga do ambiente.O mercado se expandiu-se lentamente por uns tempos, mas avançando por volta de meados dos anos1990 devido a vários avanços na ciência de materiais e o refinamento dos sistemas existentes , levoua melhorar rapidamente o desempenho, e uma redução igualmente rápida dos custos. Os primeirosensaios de supercondensadores em aplicações industriais foram realizadas para apoiar ofornecimento de energia para robôs.UltracondensadoresHistória:
  7. 7. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 7Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresA ideia de substituir as baterias tradicionais por conjuntos de condensadores ebaterias, introduzida pelo, Dr. Alexander Bell em 2005, tornou-se muito importantes noconceito de procura de energias alternativas renováveis como armazenamentointermediário de energia para alimentar uma variedade de dispositivos portáteis eléctricose electrónicos (leitores MP3, rádios AM / FM, lanternas, telemóveis, kits deemergência, etc.) À medida que a densidade de energia de supercondensadores ouultracondensadores - estes dois termos podem ser usados ​​indiferentemente, é fazer umaponte com as baterias, podendo esperar-se que, num futuro próximo da indústriaautomóvel implementará ultracondensadores como um complemento para bateriasquímicas …UltracondensadoresA China, está experimentando uma nova forma de autocarro eléctrico que funciona semrede eléctrica, utilizando a energia armazenada em grandes supercondensadores a bordo,que são rapidamente recarregados sempre que o autocarro pára em qualquer paragem.Alguns protótipos estão sendo testados em Xangai desde o início de 2005. Em 2006, duaslinhas de autocarros comerciais começaram a usar ônibus com supercondensadores, umdeles é a rota 11 em Xangai. Outras empresas como a Siemens AG e a Cegelec estãoinvestigando nesta área.História:
  8. 8. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 8Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresOs ultracondensadores são um buffer rápido de energia para sistemas avançados deenergia química, tais como baterias de hidreto metálico de níquel e baterias de iõesde lítio, oferecendo a oportunidade de um sistema verdadeiramente optimizado deenergia. Esta apresentação apresenta uma retrospectiva acerca da evolução doscondensadores e super/ultra condensadores, tendências, aplicações e futuro emaplicações optimizadas de energia, especialmente em sistemas combinados combaterias.Ultracondensadores: IntroduçãoOs ultracondensadores estão se tornando amplamente aceites na industria dearmazenamento de energia em ambos os casos; como independentes, e emcombinação com pilhas/baterias. Aplicações autónomas, como nicho, estão agora seexpandindo rapidamente com os benefícios técnicos e económicos deste componentede alta densidade de potência. Exemplos de combinação para continuar, proliferamprincipalmente no segmento de transportes com bateria eléctrica, e eléctrico, comoautocarros e comboios citadinos.
  9. 9. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 9Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensador: TerminologiasUltracondensadorSupercondensadorPseudocondensadorCondensadores HíbridosTaxas muito altas de carga e descargaPequena degradação em centenas de milhares de ciclos.Boa reversibilidadeBaixa toxicidade dos materiais utilizados.Eficiência do ciclo de alta (95% ou mais)Armazenamento de energia em ultracondensadores tem várias vantagens em relaçãoàs baterias:Condensador electroquímicoCondensador de dupla camada Condensador electroquímico de dupla camadaVantagensHoje em dia (2013) uma série de diferentes nomes podem ser encontradas no mercado, pois osfabricantes têm usado nomenclaturas de forma indiscriminada e não consistente. Os termos defabricantes de ultracondensadores de dupla camada pode ser: APowerCap, BestCap, BoostCap,CAP-XX, DLCAP, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP, Kapton capacitor, Supercapacitor, SuperCap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap, Ultracapacitor. Todos os supercondensadores nomeados têm parâmetros elétricos muito específicos. Amaioria deles não são intercambiáveis ​​em tudo, especialmente os tipos de densidades deenergia mais elevados.
  10. 10. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 10Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresElectrólito –Meio que conduz cargas…Iões – Átomos com carga positiva ou negativa.Oxidação – Qualquer reacção com perda de electrões.Redução – Qualquer reacção com ganho de electrões.Ânodo – Terminal positivo (+) – (Oxid. ocorre no Electrólito).Os electrões são libertados por este eléctrodo, para o electrólito interno…Cátodo – Terminal negativo (– ) – (Red. ocorre no Electrólito).Os electrões são recolhidos por este eléctrodo, do electrólito internoCélula electroquímica – Contém dois eléctrodos (ânodo e Cátodo) imersos num meio que conduzcargas.Diferença de potencial – é a força ou energia fornecida (ou necessária) para mover os electrõesatravés de um elemento.Corrente – o Fluxo de cargas através de um elemento.Catião - Quando um átomo perde electrões e fica com carga positiva, isto é com excesso de protõesrelativamente ao nº de electrões.Anião - Quando um átomo recebe electrões, isto é, fica com excesso de electrões (carga negativa)relativamente ao nº de protões.O anião relativamente ao tamanho, é sempre maior do que o respectivo átomo neutro, que ésempre maior que o respectivo catião.Definições…
  11. 11. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 11Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCondensadoresPoliesterVácuo,Ar,Mica,Vidro.Silicio…MisClasseIIX7RZ5UY5VX7SX8RClasseIP100NPON150N220…PP FilmPET FilmPEN FilmPPS FilmPTFE FilmMetalizadosPapelMetalizadosMetalizadosElectrolíticosAlumínioElectrolíticosTântaloElectrolíticosNóbioNon-SolidSolid-MnO2Solid-PolymerNon-SolidSolid-MnO2Solid-PolymerNon-SolidSolid-MnO2Solid-PolymerHíbridosClass 1Class 3Class 2Class 4DuplaCamadaPseudoFamílias de CondensadoresCondensadoresCerâmicosNão PolarizadosCondensadoresElectrolíticosSuperCondensadoresPolarizadosCondensadores fixos para uso em equipamento Electrónicos
  12. 12. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 12Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadoresOcupam o espaço entre as baterias e os condensadores vulgares
  13. 13. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 13Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresA Falha de PotênciaOs ultra ou supercondensadores. Preenchem o“vazio de potência” entre o tradicionalcondensador & as baterias, numa embalagempequena e leve.^^Densidade de PotênciaDensidade de Energia > >Aplicações paraultracondensadoresBateriasBateriasSubstituiçãoBateriascomplementoCondensadoresSubstituiçãoCondensadoresUltracondensadores vs Condensadore & Baterias
  14. 14. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 14Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresElectroestáticos Ar Mica Película CerâmicaElectrolíticos Alumínio TântaloElectroquímicos Carbono-carbono Óxido Metálico simétrico Carbono-assimétrico+-C1-C2 >>C1++-C2C1ElectrolyteOxide on Metal Surface++++++++++-------------Double layer charge storageElectrolyteTipos de Condensadores
  15. 15. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 15Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCondensadorMuito rápidoCiclo de vida LongoBaixo nível de energiaFiltro/Controlo de FrequênciaUltracondensadorMuito rápidoCiclo de vida LongoNível de energia moderadoSistemas de distribuição deenergiaBateriaLentoCurto ciclo de vidaNível de energia elevadoSistemas dearmazenamento deenergiaTipos de Condensadores
  16. 16. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 16Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresOs Ultracondensadores podem permitir aos PC’s portáreis e telemóveis, de se carregaremnum minuto. Ao contrário das baterias que começam a perder a sua capacidade de reter acarga depois de dois ou quatro anos (poucos milhares de ciclos de carga / descarga), osultracondensadores têm centenas de milhares de ciclos de carga/descarga e ainda podemestar muito bons mesmo depois do dispositivo estar obsoleto .Tipos de Condensadores
  17. 17. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 17Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresVaVaVaVdd a a a aCond.Cerâmica,Película,Mica, etc.Cerâmica, Film, Mica(dieléctrico)ArmazenamentoElectrostáticoCamada óxido(dieléctrico)ArmazenamentoElectroestáticoESRnegligenciávelCond. Electrolíticosde AI, Ta, Nb depolímero sólidoCond. Electrolíticosde electrólito liquido(Wet) Cond. deCamada Dupla PseudocondensadoresSupercondensadores(EDLC’s)Camadas Helmholtz(dieléctrico)ArmazenamentoElectrostáticoReacções RedoxArmazenamentoElectroquímicoTipos de Condensadores
  18. 18. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 18Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresC = εrA/dMinimize(d)Maximize(A)ECDLSupercondensadores ou ultracondensadores são uma versão avançada dos condensadoresnormais, com a capacidade de combinar o armazenamento de energia eléctrica de umcondensador e de uma bateria, num dispositivo similar a um condensador.Preenchem a lacuna entre as baterias e condensadores convencionais tais como oscondensadores eletrolíticos em termos de energia, bem como potência específica.CondensadorTipos de Condensadores
  19. 19. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 19Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores+++++++++++++-----+-+--5–10 Å++++++-----+-+-- +++++e-e-e-e- X-X-X-X-X-X-X-X-Corrente Corrente Capacitância de Camada dupla(Carbono activado)Dois Mecanismos básicos de armazenamento de cargaCapacitância devida á separação decargas no interface eléctrodo/electrólito. Pseudocapacitância(Óxidos metálicos & Polímeros condutores)Utiliza a transferência de cargas. APseudocapacitância advém deReacções Faradaicas reversíveis, queocorrem na superfície do eléctrodo.Ultracondensadores/Pseudocondensadorese-e-e-e-
  20. 20. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 20Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresHHAsymmetric DoubleLayer CapacitorSymmetric DoubleLayer CapacitorEléctrodos de Carbonoaltamente poroso(Activated Charcoal)Eléctrodos de Carbono altamente poroso(Activated Charcoal) +Tipo BateriaDieléctricoPlacasCondensadorConvencionalC = f ( Splates )1 1 1СEC C1 C2= +C1 C2Tipos de Condensadores
  21. 21. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 21Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores Um ultracondensador é um dispositivo que armazena carga eléctrica e que usa umagrande área de superfície de carbono, para fornecer uma alta densidade de energia, emrelação aos convencionais condensadores.ultracondensador4-4000F(Cerca de 1.000.000 vezes mais energia) Condensadores regulares1-1000μFTipos de Condensadores
  22. 22. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 22Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresAlta quantidade de energia(armazena uma quantidadegrande de energia através dereacção química).Baixa potência (liberta-a muitolentamente)Quantidade de energia moderada(armazena uma quantidade médiade energia como electricidadeestática)alta potência (liberta-a muitorapidamentePouca energia (armazena umapequena quantidade de energiacom electricidade estática)Muito alta potência (liberta-amuito rapidamenteAnalogia do tanque de águaCondensador: Alta pressão. Pequeno volume. Descarga rápida(Torneira grande).Bateria: Baixa pressão Grande volume Descarga lenta(Torneira pequena)ultracondensador: Pressão moderada Volume moderado Descarga moderada.( Torneira moderada)Condensador Ultracondensador BateriaTipos de Condensadores
  23. 23. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 23Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresArmazenamento de EnergiaQuímica através dos iõesresultantes de reacções químicasreversíveis nos eléctrodos.Armazenamento de EnergiaEletrostática, através de iõesque são atraídos e mantidosnas superfícies carregadasde eléctrodos porosos.BateriaUltracondensadorUltracondensadores vs Baterias
  24. 24. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 24Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPerformanceBateria deChumboUltracondens.Tempo de carga 1 to 5 hrs 0.3 to 30 sTempo de descarga 0.3 to 3 hrs 0.3 to 30 sEnergia (Wh/kg) 10 to 100 1 to 10Ciclo de vida 1.000 >500,000Pot. específica (W/kg) <1000 <10,000EficiênciaCarga(Descarga0.7 to 0.85 0.85 to 0.98Temperatura de Op. -20 to 100 C -40 to 65 CUltracondensadores vs Baterias Carga/Descarga:
  25. 25. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 25Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPotência vs EnergiaQual a diferença entre Potência e energia?Potência * Tempo = EnergiaEnergiaPotência: é a cadência do uso da energia.Energia: A capacidade de produzir trabalho (Joules ou Wh)Pouca energiaAlta Potência Muita energiaBaixa PotênciaUltracondensadores vs Baterias
  26. 26. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 26Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadoresArmazenamento físico de cargaseléctricas.Maior densidade de potência: rapidezMilhões de ciclos de Carga/Descarga.Sem Manutenção.Vasta gama de temperaturas defuncionamento (-30oC a +65oC)Ciclo eficiente superior a 95%.Baixa resistência interna.BateriasArmazenamento químico de cargaseléctricas.Menor densidade de potência: lentidãoMilhares de ciclos de Carga/Descarga.Com Manutenção.Gama de temperaturas de funcionamentomais limitada.Ultracondensadores vs Baterias
  27. 27. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 27Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresDensidade EnergéticaTensãoTemperatura OperacionalSegurança / EcologiaDurabilidadeDensidade de PotênciaBateria EDLCUltracondensadores vs Baterias
  28. 28. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 28Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresÁrea, A+ Q+_Separação, de é a constante dieléctrica, eo é a constante dieléctricado ar.vo Densidade de EnergiaEquações Fundamentais C = eeoA/dEnergia em função da voltagem Vi a VfVf ViDEVoltagemEnergiaE/Ad = ½ eeo (V/d)2DE= ½ C(Vi2-Vf2)Energia ArmazenadaE= ½ C V2 Carga na PlacaQ= C V
  29. 29. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 29Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresDAkC 0e2CV21E ESR4VPmax2EléctrodoPositivoEléctrodoNegativoCampo EléctricoEquações Fundamentais - Constante Dielétrica0e - Permissividade do VácuoA - Área de superfícieD - Distância entre eléctrodosV - VoltagemESR-Resistência Série equivalenteEsquema dos componentes essenciais de um condensador convencionalVoltagem AplicadaC - A capacitância é proporcional á área da superfície (A) do eléctrodo.E - A energia é proporcional á capacitância (C).Pmax- A potência máxima é limitada pelas resistências internas (ESR) do condensador.
  30. 30. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 30Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresEquações FundamentaisEnergia potencial armazenada num condensadorL+-rbraQV21CV212CQU 22
  31. 31. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 31Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresComponentes de armazenamento de EnergiaCondensadorBateriaSimétricoPrimária Secundária(recarregável)ElectroestáticoElectrolíticoElectroquímicoElectrólitoOrgânicoChumboacidoNiCd NMH Li-ionElectrólito AquosoAssimétricoMais utilizado….Em I&DUltracondensadoresMaior potencial de armazenamentoElectrólitoAquosoElectrólitoOrgânico
  32. 32. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 32Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadoresOs Supercondensadores estãodivididos, devido ao desenho dos seuseléctrodos em três famílias decondensadores diferentes:Condensadores de camada dupla (EDLC), são os condensadores electroquímicos no qual acapacitância estática de dupla camada com eléctrodos de Carbono simétricos predominasignificativamente e a percentagem de pseudo faradaica é muito baixa.Pseudocondensadores são condensadores electroquímicos com pseudo faradaica predominante e apercentagem de capacitância de dupla camada estática é muito baixa, com um eléctrodo de Carbonoe outro de óxido de metal (assimétrico).Condensadores híbridos têm eléctrodos especiais que usam tanto a dupla-camada, bem como umacamada pseudo. Estes condensadores incluem alguns novos desenvolvimentos em eléctrodosespeciais, i. e. os condensadores de lítio-íon (LIC) também incluídos os Condensadores Assimétricos ePseudocondensadores.
  33. 33. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 33Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresOs Supercondensadores também são classificados com base no material eléctrodo e doelectrólito: Carbono de alta área superficial Tipo de dupla camada elétrica (EDLC) Polímeros condutores Pseudocapacitância Óxidos de metal Pseudocapacitância Electrólito aquoso / não aquoso A grande capacidade dos supercondensadores é devida a …Densidade de energia relativamente elevada, que pode ser armazenada na eletroquímicade camada dupla.Área de alta superfície•No caso do carbono activado, a carga é armazenada “somente" na eletroquímica decamada duplaUltracondensadores
  34. 34. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 34Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresMElectrodeElectrolyteMElectrodeMElectrodeHelmholtzε~78 para electrólito orgânico.d~ 0.2nm para molécula de solvente.C→ 340 μF/cm2,C Não é dependente da voltagem.Modelo de SternMelhora o modelo de Gouy-Chapman mantendoa camada compacta de absorção de iões deHelmholtz, e a camada difusa de pontos decarga de Gouy-Chapman, mas modifica asituação para controlar fisicamente os iões.Conhecido como o modelo difuso. Funciona bem abaixos potenciais. Sobrevaloriza C para potenciaismais elevados. Gouy-Chapman Modelos da estrutura de dupla Camada do interface eléctricoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)SCdl = dq/d(Dy)M =8-ElectrolyteSElectrolyteS= (19+)+(11-)Helmholtz LayerDiffuse LayerdiffHdl C1C1C1S1
  35. 35. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 35Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores Modelos da estrutura de dupla Camada do interface eléctricoSolvente1Camadacompacta2CatiãoAniãoMoléculaNeutraCamadaDifusaGOUY-CHAPMANExteriorInteriorCamadaHelmholtzDhttp://electrochem.cwru.edu/encycl/art-c03-elchem-cap.htmCatiõesDissolvidosε=32Anião específicoAbsorvidoM, MetakPlane.MMetalε=6ε=∞I, HelmholtzPlane.12, GOUYPlane, 2Água Normalε=78.5CamadaáguaPrimáriaε=6Camadaáguasecundáriaε=32Ed) Modelo de Grahame) Modelo de Bockris,Devanathan e Mullermostrando a presença ea orientação de dipolossolventes.Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) 1/C = 1/CI + 1/CO 1/C = 1/CI 1/C = dH2O/e C= 5 x 8.85 x 10-12 F/m2.8 x 10-10 m= 16 F/cm2Capacity for CarbonCDL = 20 µF/cm2 with S = 1000 m2/gC = 20 x 10-6 F/cm2 x 1000 m2/gx 104 cm2/m2= 200 F/g
  36. 36. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 36Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)ElectrólitoCatião solvatadoSeparadorEléctrodoNegativoCamada Molecular desolvente polarizadoPlano HelmholtzInterior (IHP) Plano HelmholtzInterior (OHP)Camada DifusaColector de correnteModelo BDM (Bockris, Devanathan, Muller)
  37. 37. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 37Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores1. IHP Inner Helmholtz Layer2. OHP Outer Helmholtz Layer3. Diffuse layer4. Solvated ions5. Peculiar adsorptive ions(Pseudocapacitance)6. Solvent molecule.7. Electrolyte.0d1 d21 2 34 456Modelo BDM (Bockris, Devanathan, Muller)7ElectrodeAlém do armazenamento estático convencional de energiaelétrica num campo elétrico, existem mais dois princípios paraarmazenar energia elétrica num condensador. Esses princípiospodem ser encontrados em condensadores chamadoselectroquímicos. Também conhecidos como condensadoreseléctricos de dupla camada (EDLC), ultracondensadores ousupercondensadores, que não têm, em contraste com oscondensadores de película, de cerâmica e dos condensadoreseletrolíticos, um dielétrico convencional. Capacitância de dupla camada e pseudocapacitância somam um valor de capacitância comumintrínseca de um supercondensador.O valor da capacitância de um condensador electroquímico édeterminado por dois princípios muito especiais de elevadacapacidade de armazenamento que são apenas pertencentes aestes condensadores. Esses princípios são:Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  38. 38. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 38Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresIHP que simbolizam o chamado plano deHelmholtz interior.OHP o chamado plano exterior deHelmholtz.Ilustração da dupla camada eléctrica entre a superfície de óxidos metálicos, e a solução derevestimento, e os modos de adsorção de complexos de níquel. Modelos da estrutura de dupla Camada do interface eléctricoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  39. 39. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 39Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadoresd~1 nm+ Q+_Separação, dCondensador Uso de eléctrodos de alta superfície, para produziraltas capacidades ( F/cm3) Modelos da estrutura de dupla Camada do interface eléctricoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)C ≈ A/d ≈ 5 a 50 mF/cm2Área, AEnergia ArmazenadaE= ½ C V2
  40. 40. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 40Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresElectrólitoCarbonoEléctrodoCarbonoEléctrodoCarbonoporosodAC 0 /eeddUltracondensador de Dupla Camada (EDLC) Modelos da estrutura de dupla Camada do interface eléctricodupla CamadaSeparador porosoCamada HelmholtzEléctrodoElectrólitoSólido/LiquidoInterfaceCentro Iónico(Médio)Carbono ActivadoMacroporo(500Å)Mesoporo(500-20Å)Microporo(20-5Å)Sub-Microporo(5Å) iãoMicroestruturaPorosCatiãosolvatadoIHPOHP Esquema mostrando a habilidade doscatiões solvatados para preencherem osporos nos eléctrodos de carbono, e omodelo característico da linha detransmissão RC.
  41. 41. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 41Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresvvUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Conceito de Dupla Camada Descoberto por Helmholtz C ~ 10 F/cm2no eléctrodo Carga armazenada electrostaticamente(não quimicamente). Voltagem limitada pela potencial decomposição do electrólito Capacitância extremamente grande dos eléctrodos de Carbonode alta superfície (milhares de Farads). Baixa Voltagem por célula (1-3V). Altas taxas de Carga/Descarga. Baixo índice de energia específica. Ciclos de vida ilimitados.Circuito EquivalenteC+C-RelR+rxR-rxCCCt111CQVmCQVmConstrução dedupla camadaeléctricaElectrólitoIões doElectrólitoEléctrodosdACe 10-100 F/g 5 ÅMateriaisMistura de óxidos metálicos (RuO2 e IrO2, MnO2 e Li4Ti2O12) para condensadores simétricos.Polímeros (PET, PPy e PANi) para condensadores simétricos/assimétricos. 1000-2000m2/kg
  42. 42. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 42Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresVoltagem(V)Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Circuito EquivalenteCondensador carregado, distribuição da voltagem e circuito equivalenteAlém disso, tem havido pesquisas na definição dorelacionamento entre o tamanho dos poros e a ESR emmateriais dos eléctrodos, determinação da ESRintrínseca de vários eletrólitos. Como estes esforços deI & D e os progressos consequentes, devem permiti ossupercondensadores atingirem densidades de potênciamais perto de seus limites teóricos.ESR - Equivalent Series ResistanceSua ESR impede os supercondensadores deatingirem densidades de potência maispróximas dos limites teóricos. Assim,determinar a forma de reduzir a ESR, está-setornando numa importante área de I & D.Vários métodos para reduzir a ESR já foramdesenvolvidos, incluindo o polimento dasuperfície do colector de corrente, colagemquímica do eléctrodo com o coletor de corrente,uso suspensões de película fina coloidal...
  43. 43. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 43Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores++ __Circuito EquivalenteUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Capacitância ~ Função da espessura do eléctrodo.Resistência ~ Função da espessura do eléctrodo.Tempo de Resposta:=RC~ (Espessura do eléctrodo)2Muito diferente de outros tipos de condensadores.Devido ao uso de materiais de eléctrodos porosos (tempo constante múltipla).Frequência auto-ressonante tipicamente <100 Hz para sistemas de grande porte.A corrente de fuga tem dependência exponencial da tensão. Alta dissipação impede aplicações defiltragem de 120 Hz.
  44. 44. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 44Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresImpedância Complexa:Onde: j=(-1)1/2n= Número de poros no eléctrodo.r = Raio de um poro cilíndrico. = Condutividade do electrólito.w = Frequência angular.Cdl = Capacitância double layer por unidade de área.l = Comprimento do poro cilíndrico.De Levie Electrochim Acta. 8, 751 (1963)Circuito EquivalenteUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Porous Electrode--Transmission Line ResponseElectrólitoEléctrodo2r )()(j1rC1cothCrn2f1Zp dldl3 ww
  45. 45. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 45Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCircuito EquivalenteUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)R+RPorous Electrode Electrical Response: Complex-Plane PlotLimite superior de Frequência:dl3Crn2j1Zpw)( Limite inferior de Frequência:CjCnl2jZpdl wwllOnde: l = Comprimento do poro.k = Condutividade do electrólito.V = Volume do poro.r = Raio do poro.S = 2prln.C = SCdln = Número de poros.ESR Equivalent series resistance = l2/2V = l2 /rS - Resistência iónica dentro da estrutura dos poros.
  46. 46. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 46Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCircuito EquivalenteUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  47. 47. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 47Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresRCCircuito RC SerieCj1RZw222C1RZw)(RC1tanΘ 1w R Re Z-ImZAumento de w|Z|Modelos de SuperfíciesCircuito EquivalenteUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  48. 48. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 48Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresAs características temporais da carga, ditam o modelo apropriado de circuitoEquivalenteTempos longos:i=a*exp(b*V)Tempos intermédios:Tempos curtos:Circuito EquivalenteUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)CR CC1R1 R5R2 R4R3C2 C3 C4 C5
  49. 49. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 49Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores38n34nEEinout 2windowout2n34nnEE)()(Energia de descargan = T/RCCC Charge/discharge: Vo /2 -Vo -Vo /2Circuito Equivalente: Resultados do Modelo de Circuitos RC SérieUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)T = charge timeEficiência do ciclo de energiaEfficiency=Eout/Ein00.10.20.30.40.50.60.70.80.911.11.21 10 100 100000.20.40.60.811.2EnergyOut/TotalEnergyStoredinVoltageWindow
  50. 50. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 50Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCarbono Nanoporoso(grande área de superfície)Electrólito(Iões num solvente)Eléctrodo(folha de Alumínio)Separador(Membrana semipermeável)Distância de Separação(Sólido-Líquido Interface)Electric Double Layer Capacitor (EDLC)Modelo BásicoDescriçãoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)O eletrólito depende da aplicação, da exigência de energia ou pico de potência, da tensão de operaçãoe da faixa de temperatura permitida. O invólucro exterior é hermeticamente fechado.Cada célula EDLC consiste de dois eléctrodos, umseparador e um eletrólito. Os dois eléctrodos sãofrequentemente ligados eletricamente aos seusterminais através de uma folha de coletor metálico.Os eléctrodos são normalmente feitos a partir decarvão activado, uma vez que este material éelectricamente condutor e tem uma área superficialmuito grande, para aumentar a capacitância.Os eléctrodos estão separados por uma membrana permeável aos iões (separador) utilizado comoum isolante para evitar curto-circuitos entre os eléctrodos.Este compósito é enrolado ou dobrado em forma cilíndrica ou rectangular, e pode ser empilhado emlata de alumínio ou numa caixa rectangular. A célula é tipicamente impregnada com um electrólitolíquido ou viscoso, orgânica ou aquoso, embora alguns sejam do estado sólido.
  51. 51. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 51Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresFolhas de alumínio são usadas sacar ou dar a carga paraarmazenamento nas placas de carbono.O carbono é altamente poroso, dando uma massiva área de carga de1000’s de m2 /Kg).A passagem das cargas é feita através do movimento de iões noelectrólito que passam através do separador.Não há dieléctrico, os iões no electrólito estão juntos aos iões dasuperfície de Carbono, pelo que a distância de separação de cargas émínima (na ordem de Ångstroms).Área massiva de armazenamento de carga/distância de separação decargas mínima  supercapacitância.Camadas múltiplas são ligadas em paralelo de forma a diminuir aESR.Quanto mais camadas, mais baixa ESR e maior C.Camadas mais concentradas de carbono podem ser usadas paramaior Capacitância.Ao contrário das baterias, não há reacções químicas durante asoperações de Carga/Descarga.Folhas deAlumínioRevestimentode CarbonoSeparadorElectrólitoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Descrição
  52. 52. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 52Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresElectrólitoElectrólitoSeparadorColectoresde CorrenteSealEléctrodosde CarbonoPorosoInvólucro de MetalSeparador com electrólitoDupla CamadaEléctrodos de Carbono PorosoDescriçãoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC) Os EDLCs armazenam carga eletrostática no interface eléctrodo / electrólito com separação decargas. Não há transferência de cargas entre o eléctrodo e electrólito. Nos Dispositivos intrínsecos de alta potência (pequeno tempo de resposta), o armazenamento deenergia é limitado, estabilidade muito alta com ciclos de carga/descarga (~106). Diferentes formas de elevada área superficial de carbono são usadas como material de eléctrodo : Carbono activado Aerogel de Carbono Nanotubos de Carbono (CNTs)ChargedChargedE Eléctrodos
  53. 53. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 53Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresDescarregadoCarregado A camada de cargas dentro do eléctrodo éacompanhada por uma camada de iões que seacumulam sobre a superfície, formando umcondensador. Este fenómeno é chamado de duplacamada elétrica.A separação entre os eléctrodos e os iões é da ordem dosAngstroms (10-10 m), produzindo uma capacitância enorme.Os Eléctrodos são compostos de um material de elevada áreasuperficial, tal como carvão activado (1000 a 2000 m2 / g), o quepermite uma grande quantidade de área de acumulação decargas.DescriçãoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  54. 54. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 54Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Ião +Ião -CargaCarga Completa DescargaAbsorção de iões Dispersão de iõesDupla camadaEléctricaCarbonoactivado(Eléctrodo)Carbonoactivado(Eléctrodo)Carga/DescargaAtravés da aplicação de tensão aos eléctrodos, iões são atraídos para a superfície doseléctrodos de dupla camada elétrica e o EDLC é carregado.O mecanismo de absorção ou de cedência de iões para/de a dupla camada eléctrica,corresponde á carga e descarga de um EDLC.Por outro lado, na descarga os iões saem dos eléctrodos. Isto é como o EDLC é carregado edescarregadaCorrente I
  55. 55. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 55Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCarregado descarregadohttp://www.electrochem.org/dl/interface/fal/fal10/fal10_p057-062.pdfÂnodoCátodoÂnodoCátodoCargasIõesDir. Electronic (Cargas Neg.)Dir. Corrente (Cargas Pos.)Electrólito ElectrólitoÂnodo Carbono Activado(electrocondutor)Cátodo Carbono Activado(electrocondutor)Electrólito Ácido Sulfúrico)Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Carga/Descarga
  56. 56. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 56Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCarvão activadoSal electrólitoSolventeExcesso de electrões Défice de electrõesEléctrodo NegativoEléctrodo PositivoSeparadorElectrólitoOs EDLCs não têm um dielétrico convencional. Em vez de duas placas separadas por umasubstância, estes condensadores usam "placas" que são, de facto, duas camadas do mesmosubstrato, e as suas propriedades eléctricas, o assim chamado " dupla camada eléctrica", resultam naseparação efectiva de cargas, apesar de uma separação física muito tênue (da ordem dosnanómetros) das camadas. A falta da necessidade de uma camada de dieléctrico volumoso, permite oempacotamento de placas com uma área de superfície muito maior para um dadotamanho, resultando na prática, em elevadas capacitâncias…Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Composição
  57. 57. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 57Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresColector de Alumínio SeparadorEléctrodo de CarbonoElectrólito Podem acumular energia eléctrica como se fossem um balão; capacidade muito maior,graças à superfície extremamente alta de seus materiais interiores.e-Os EDLCs são considerados dispositivos electroquímicos, não havendo reacções químicas nomecanismo de armazenamento de energia. O mecanismo de armazenamento de energia é umfenómeno físico e é altamente reversível, o que dá aos EDLCs um ciclo de vida extremamente longo.Dado que as taxas de carga e descarga são dependentes apenas da movimentação física de iões, oultracondensador pode armazenar e liberar energia muito mais rápido (o que significa mas potência)que uma bateria que se baseia em reações químicas mais lentas.Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Composição
  58. 58. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 58Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresEléctrodo de folhaMetálicaSeparadorÁrea de Carbono PorosoSeparadorElectrólitoCorrentedurante aCargaNum EDLC, o potencial aplicado noeléctrodo positivo atrai os iõesnegativos do electrólito, enquanto omesmo potencial no eléctrodonegativo atrai os iões positivos. Umseparador dieléctrico evita que os doiseléctrodos entrem em curto-circuito. A quantidade de energia armazenada é muito grande em comparação com um condensadortradicional devido à enorme área de superfície que se encontra disponível nos eléctrodos porosos decarbono.Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Funcionamento
  59. 59. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 59Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresInternational EcoEnergy Clusters Meeting | 12.05.2010 |Armazenam energia usando absorção de iões (ausência de reacção faradaica (redox)).Elevada área superficial específica (ASE) - eléctrodos (carbono).Cluster de Carbono100 – 120 F/g (nonaqueous electrolyte)150 – 300 F/g (aqueous electrolyte)ElectrólitoEléctrodos deCarbono-AerogelMembrana(Separador)aIão SolvatadoDupla CamadaHelmholtzRedox -reacções de oxidação-reduçãoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC) Funcionamento
  60. 60. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 60Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores Se o carvão é submetido a vapor e oxigénio, pequenos poros são criados, e é entãochamado de carvão activado. Chama-se activado porque esses poros são activos nacaptura de muitos químicos, especialmente aqueles que não são atraídos pela água, taiscomo compostos orgânicos. A palavra "orgânico" indica que o composto vem de umorganismo vivo. Isso nem sempre é verdadeiro, mas é uma descrição muito boa. Oscompostos orgânicos tendem a colar-se á superfície do carvão. Chama-se a istoAbsorção. Funcionamento: Carvão activadoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)C612.0107
  61. 61. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 61Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresAdsorped ions(anions, cations)Meso pores(2 ~ 50 nm )Micro pores(< 2 nm)Inset from: Prof. Katsuhiko Naoi, Institute of Symbiotic Science and Technology, TokyoUniversity of Agriculture and Technology,Recent Advances in Capacitors and Hybrid Power Sources in Japan, presented to DOE BasicEnergy Sciences Wkshp, 3-4 March 2007Eléctrodo de EDLCCCAlACConducting agents( KB, AB )binder( PTFE ) Os tamanhos dos poros deve ser controlado parao acesso de ambas as espécies de iões.Macro pores( > 50 nm ) Funcionamento: Carvão activadoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Solvents
  62. 62. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 62Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresInternational EcoEnergy Clusters Meeting | 12.05.2010 |CarbonoCarbonoSeparador Poroso dMacroporo(˃500Å)Mesoporo(500-20Å)Microporo(20-5Å) SubMicroporod 5-10ÅElectrólitoMédia docentroiónicoEléctrodoSólido-LíquidoInterfaceCanada de Helmholtz (alguns Angstroms)A = 1000 ou mais m2/gD = AngstromsPartículas carregadasGrande área de superfícieC = Aεoε/dPó de Carbono (activated charcoal) Funcionamento: Carvão activadoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  63. 63. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 63Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores 1.Terminals. 2.Safety vent. 3.Sealing disc. 4.Aluminum can. 5.Positive pole. 6.Separator. 7.Carbon electrode. 8.Collector. 9.Carbon electrode. 10.Negative pole Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Estrutura Cilíndrica
  64. 64. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 64Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresFolha de AlumínioEléctrodo PositivoSeparadorFolha de AlumínioElectrólitoEléctrodo NegativoEléctrodos(de Carbono Activado)Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Estrutura Cilíndrica
  65. 65. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 65Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCarbono PorosoMulti -LayersSeparadorUltracondensador de Dupla Camada (EDLC) Estrutura Prismática
  66. 66. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 66Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores Alta capacidade específica extraordinária ~ 100 F / g. Muito baixo $ / J comparado com condensadores convencionais. Baixa tensão por célula, ~ 1-3 V. Comportamento não-ideal - tempo de resposta ~ 1 s. Caro, em termos de energia, em comparação com as baterias. Muito potente, quando comparado com baterias. Vida operacional e ciclo de vida podem ser projetados para exceder osrequisitos de aplicação.I-43Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Sumário da Características dos EDLCs
  67. 67. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 67Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSource: Prof. Katsuhiko Naoi, Institute of Symbiotic Science and Technology, Tokyo University of Agriculture and Technology,Recent Advances in Capacitors and Hybrid Power Sources in Japan, presented to DOE Basic Energy Sciences Wkshp, 3-4 March 2007 O custo de ultracondensador é dominado pelo custodo carbono.Matéria-prima – Cascas de Coco =>O carbono é o direccionador de custos:À Base de Resina - de alta pureza, os custos elevados.À base de Produto naturais - (coco, madeira, carvão, turfa, etc) menor custo,maiores impurezas.MoagemActivaçãoPó de Carbono ActivadoFabricação do EléctrodoRevestimento/ Rolling / Amassar / ColarUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Tecnologias de Eléctrodos
  68. 68. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 68Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresTecnologias de EléctrodosClass I – Materiais de Carbono de alta Área de SuperfícieClass II – Óxidos Metálicos de Transição.Pseudocondensadores.Eléctrodos de Novas tecnologiasNovos Materiais á base de Carbono.Condensadores Assimétricos.…Class I – Materiais de Carbono de Área de SuperfícieTipicamente á base de Carbono activado.Alta densidade de potência.500.000 a 1.000.000 de ciclos.Cerca de 2,7V por célula.O s supercondensadores comerciais mais comuns.Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  69. 69. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 69Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresNovos Tipos de Metais à base de Carbono de alta área de superfície:NANOTUBOS DE CARBONO (CNT’s)Alta área de superfície acessível.Maior condutibilidade do que o Carbono Activado (AC)Maior densidade de potência do que AC.Potencialmente mais caro.CNTsTecnologias de EléctrodosUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  70. 70. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 70Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadoreswww.answers.com/topic/capacitorUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Materiais : Desafios Como melhorar a capacidade específica gravimétrica evolumétrica, sem comprometer o tempo de resposta? Serão as configurações assimétricas (por exemplo cátodo dabateria / ânodo condensador) viáveis com o compromisso entrea diminuição da vida e aumento da densidade de energia? Podem as alterações do factor de forma e de embalagemaumentar a densidade da energia e de potência? Podemoscolocar células múltiplas juntas num pacote simples? Como podemos melhorar as propriedades do colector decorrente (resistência de contato, resistência à corrosão, etc)?
  71. 71. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 71Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores Será que os Nanotubos de carbono podem oferecer uma altacapacitância específica e de alta potência?Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Materiais : Desafios Qual é o papel dos grupos funcionais de superfície nadeterminação da capacitância específica? Como é que arquitetura de poros sólidos e o arranjo atômicoafetam o comportamento de alta densidade de corrente actualdo carbono? Podemos projetar isso? Qual é a relação entre o tamanho do iãodo electrólito e tamanho de poros? Seráque a mesma dependência pode serobservada para aniões e catiões?
  72. 72. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 72Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadoreslem.ch.unito.it/didattica/infochimica/Liquidi%20Ionici/Composition.htmlUltracondensador de Dupla Camada (EDLC) Existem electrólitos orgânicos com osbenefícios de acetonitrilo, sem osproblemas de segurança? Como podemos explorar líquidos iónicospara melhorar a segurança, a janela detemperatura, janela eletroquímica, etc? Que efeito é que os aniões e catiões ILtêm individualmente em váriaspropriedades(viscosidade, peneiramento, tamanho dosporos, desempenho, etc)? E sobre IL / misturas orgânicas?Electrólitos poliméricos? IL / polímerocompósitos? Outras misturas /compósitos?Electrólitos: Desafios
  73. 73. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 73Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadoresTecnologias de Eléctrodos: Condensadores Simétricos/AssimétricosBasic Electrical Model:Symmetric Electric Double Layer Capacitor (EDLC)C1 C2Electrical Model:Asymmetric Electric Double Layer CapacitorC1 C2Modelo de Condensador Assimétrico:Substitui o Eléctrodo Positivo de Carbono por uma eléctrodo tipo bateria.Actualmente, existem duas variações comuns do CE, supercondensadores, ou ultracondensadoresutilizados para o arranque de motores ou para aplicações de alto impulso de energia. O desenhoBásico é simétrico e o segundo desenho é assimétrico. Um ultracondensador simétrico utiliza osmesmos materiais para cada eléctrodo, um separador de não condutor, e um electrólito. Umsupercondensador assimétrico usa um eléctrodo de carbono único em conjunto com um eléctrodoadicional de um material diferente, um separador de não condutor, e um electrólito aquoso.
  74. 74. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 74Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores+++++-----EléctrodoElectrólito+EléctrodoElectrólitoM+nM+n+1 -CondensadoresElectroquímicosCondensador ElqDupla CamadaNon-Faradaica(sem transferência de cargas)PseudocondensadoresPseudocondensadoresHá dois mecanismos diferentes de armazenamento de carga: através de eletroquímica de camadadupla capacitância (EDLC) -(A) ou com base em pseudocapacitância de reações químicas (B).PseudocapacitânciaPseudocapacitânciaTransferência de cargas através de reacçõesfaradaicas na superfície do eléctrodo e o electrólito.
  75. 75. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 75Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresHAsymmetric Double Layer CapacitorSymmetric Double Layer CapacitorEléctrodos de Carbono altamente poroso(activated Charcoal)Eléctrodos de Carbono altamente poroso(activated Charcoal) +Tipo Bateria1 1 1Сt C1 C2= +EDLC PseudoPseudocondensadoresEDLCs vs PseudosC1 C2C1 = C2 = CCtotal = ½ CVoltagem de C=0,8V=VEs = ½CV2=½(½C)V2=¼CV2C2»C1Ctotal = 2CV Operacional ~1.6 V = 2 VEa = ½ (2C)(2V)2 = 4CV2Ea=16 * Es!H
  76. 76. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 76Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresDupla Camada+-----+++++_ElectrólitoQLimite inferiorLimite superiorV +-QLimite inferiorLimite SuperiorV +-• Simétrico• AssimétricoPseudocondensadoresSimétricos vs AssimétricosDupla camada++++Electrólito_ +Eléctrodo bateriaProcesso faradaico ou outro…
  77. 77. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 77Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadoreshttp://www.koldban.com/What_is_KAPower_s/35.htmPseudocondensadoresSimétricos vs Assimétricos
  78. 78. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 78Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores+ -e-AElectrolyteH+ or Li+*Zheng, J.P., Jow, T.R., J. Power Sources 62 (1996) 155PseudocondensadoresTecnologia A carga é transferida para a superfície, ou no volume próximo dasuperfície, do eléctrodo, por meio de adsorção, a reacção redox eintercalação de iões entre o electrólito e o metal do eléctrodo.Os Pseudocondensadores podem alcançar capacidadesespecíficas e densidades energéticas maiores do que os EDLCs.Exemplo: Hydrous RuO2 (700+ F/g)* Nos EDLCs, dois condensadores simétricas são ligadas em série e da capacitância total éreduzida para metade. Num pseudocondensador, existem duas reacções básicas, nacélula electroquímica . Ambas ocorrem na interface entre umcondutor e um eletrólito, e ambas beneficiam da muito elevadaárea de superfície específica do eléctrodo. O primeiro mecanismo, designado por separação de cargas, nãofaradaico, é a base de funcionamento dos EDLCs. A segunda, reacção referida geralmente como uma oxidação/reação de redução devido mecanismo faradaico.
  79. 79. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 79Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCondensadores assimétricos têm uma maior densidade de energia do que suacontraparte simétrica devido ao aumento da capacidade e voltagens mais altas decélulas operacionais (E = ½ CV2).Symmetric Double Layer Capacitor (EDLCs)Composto por dois Eléctrodos de Carbono altamente poroso decapacitância igual (CC).Capacitância total do dispositivo igual a ½ CC:Asymmetric Double Layer Capacitor (Pseudocondensadores)Eléctrodo Bateria (BC), com uma capacidade muito maior, em volume muitomenor do que Eléctrodo Condensador (CC).Capacitância total do dispositivo igual ao CC:PseudocondensadoresTecnologia
  80. 80. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 80Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPseudocondensadoresCombina a tecnologia de baterias e do condensador, e irá armazenar aproximadamente duas vezes aenergia de um condensador típico de dupla camada eléctrica (EDLC) no mesmo tamanho e peso, a umcusto menor por unidade de energia.Os Pseudo-capacitores (!) são assimétricos no sentido deque uma das duas camadas de eléctrodos é umeléctrodo de condensador á base de carbono, enquantoque o segundo eléctrodo é fabricado a partir de óxidosde metais de transição, análogos aos utilizados embaterias secundárias. Os mecanismos dearmazenamento são reversíveis e podem fazer dezenasde milhares de ciclos de carga/descarga. Oxido Metálico Carbono ActivadoM+ElectrólitoEléctrodo Positivo: Reacção Faradaica como nas bateriasIntegração e desintegração do catião.Descarga de baixa profundidade — Boa estabilidadeEléctrodo Negativo:— Fenómeno de Dupla Camada.Carbono activado de alta área superficial.Grande performance de potênciaTecnologiaO EDLC armazena a sua energiaelectrostaticamente, enquanto que osPseudocondensadores também armazenam energiaatravés de uma reação química em que ocorre atransferência de carga farádica entre o eletrólito e oeléctrodo.
  81. 81. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 81Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresTecnologias de EléctrodosClass II – Óxidos de Metais de Transição.Como funcionam os PseudocondensadoresAs cargas eléctricas são armazenadas na superfície doseléctrodos por reacções faradaicas.Tipicamente feitos de óxidos de Metais de transiçãoMetais de Transição.Pseudocondensadores
  82. 82. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 82Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresRuténioClass II – Tipos de Metais de Transição: Dióxido de RuténioMuita alta capacitância.Cerca de 10.000 ciclos carga/descarga.Muito mais caro do que o Carbono.Baixa voltagem ( tipic 1V Window).Electrólito: ácido sulfúrico comum.O ruténio (latim Ruthenia, que significa "Rússia") é um elemento químico de símbolo Ru de númeroatómico 44 (44 protões e 44 Electrões) e de massa atómica igual a 101 u. À temperatura ambiente,o Ruténio encontra-se no estado sólido. É um elemento da família das platinas (8 ou 8b) da Tabelaperiódica dos elementos. É um metal de transição, raro, encontrado normalmente em minas deplatina. É empregado como catalisador e em ligas metálicas de alta resistência com platina oupaládio. O ruténio foi descoberto por Karl Klaus em 1844.Tecnologias de EléctrodosUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)
  83. 83. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 83Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPseudocondensadores: A reacção redox ocorre na superfície do material activo (óxidosmetálicos (RuO2, Fe3O4, MnO2), polímeros condutores(polianilina, polipirrole, politiofeno, etc.)Óxidos Metálicos:Capac. 1300 F/g (RuO2)Voltagem Nominal voltage 1.2 VPolímeros condutores:Capac. 30 – 40 mAh/gVoltagem Nominal 1.0 VInternational EcoEnergy Clusters Meeting | 12.05.2010 |PseudocondensadoresTecnologias de Eléctrodos: Materiais
  84. 84. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 84Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresH. Kim, B. Popov, J. Electrochemical Soc. 150 (2003) 1153CarbonoRuO2H2SO4IMPseudocondensadoresDesafios: Materiais para Eléctrodos:Óxidos Metálicos e polímeros condutores Existem materiais que exibam densidade deenergia e de potência melhor do que RuO2? Como é que eles interagem com o eletrólito? São os metais de transição não-óxidos,materiais viáveis ​​para supercondensadores? Como pode a estabilidade química sermelhorada? Como podemos explorar pares de reagentesorgânicos para melhorar a densidadeenergia / potência? Pode ser adicionada pseudocapacitânciaatravés de modificação química oueletroquímica, no EDLC, para aumentar acapacidade?
  85. 85. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 85Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPseudocondensadoresDesafios: Materiais para Eléctrodos:
  86. 86. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 86Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPseudocondensadoresVantagens/Desvantagens dos Pseudocondensadores:Elevada área superficial e reações faradaicas rápidos permitem densidades de energia mais elevadasdo que nos EDLCs . O óxido de ruténio hidratado pode alcançar capacitâncias extraordinárias. O dobroda capacidade de eléctrodos de carbono de um EDLC simétrico.Tensão de operação maior do que o dispositivo simétrico.O eléctrodo de bateria é fisicamente muito menor do que o eléctrodo de carbono -Isso permite maisespaço para o eléctrodo de carbono, proporcionando maior capacidade.Aumento capacitância a estados elevados de carga.Tolerante a condições de sobretensão.Autoequilíbrio de tensão em série.O ciclo de vida dependente da capacidade de assimetria dos dois eléctrodos.Tempos de resposta típicos de 2 a 100 segundos.Baixos custos de fabricação e embalagem, e os uma vez que a secagem de carbono e de embalagemhermética desnecessáriasVantagens:
  87. 87. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 87Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCiclo de vida pode ser limitado por estresse mecânico causado durante as reações deoxidação-redução.Eléctrodos de polímeros condutores com carga negativa não são muito eficientes.Os melhores eléctrodos de óxidos metálicos são muito caros e requerem electrólitosaquosos, o que significa menor tensão…Neste momento, a maioria dos condensadores assimétricas utiliza eletrólitos aquosos,que são limitados pela tensão de gaseificação da água (entre 1.3V e 1.7V por célula).EDLCs simétricos usando eletrólitos orgânicos podem atingir tensões muito elevadas (até2.7V por célula)PseudocondensadoresVantagens/Desvantagens dos Pseudocondensadores:Desvantagens:
  88. 88. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 88Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresGrandeza Valor UnidadeMassa específica do sólido (20ºC) 535 kg/m3Ponto de fusão 180,54 °CCalor de fusão 3,0 kJ/molPonto de ebulição 1342 °CCalor de vaporização 147,1 kJ/molTemperatura crítica 2950 °CElectronegatividade 0,98 PaulingResistividade eléctrica 9,4 10-8 Ω mCondutividade térmica 85 W/(m°C)Calor específico 3573 J/(kg°C)Coeficiente de expansão térmica 4,6 10-5 (1/°C)Módulo de elasticidade 4,9 GPaÉ o metal de menor massa específica, cerca da metade da massa específica da água. A superfícierecém cortada tem aspecto de prata, mas escurece rapidamente para cinza. Deve ser conservadoem óleo para prevenir isso.O lítio metálico é corrosivo e não deve entrar em contacto com a pele. Exposto aoar, é bastante inflamável, com chamas de difícil extinção. É o único metal quereage com nitrogénio á temperatura ambiente. Baterias contendo lítio podemeventualmente explodir se rapidamente descarregadas (curto-circuito). Mas amaioria dos dispositivos práticos dispõe de protecção contra curtos.LítioUltracondensadores Híbridos: LIC
  89. 89. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 89Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSource : Usine NouvelleLítio : SituaçãoProdução de Lítio em 2008: 27400 tonsPortugal é já o quinto maior produtor mundial de lítio.Stocks de Lítio: 11 milhões tonsProdutores :3 grandes companhias + Companhias estataisChinesasUltracondensadores Híbridos: LIC
  90. 90. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 90Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPara aumentar a densidade de energia dos Condensadores Electroquímicos de Dupla Camada(EDLCs), embora mantendo a sua capacidade de alta potência e ciclo de vida longo, os esforçosagora se concentram no desenvolvimento de novos dispositivos de armazenamento de energiaconhecidos como condensadores assimétricos de óxidos de metal (Ruténio ou Lítio) e Carbono,conhecidos por Pseudocondensadores, condensadores assimétricos ou híbridos, e que no casoseguinte, de iões de Lítio, conhecidos por LIC (Lithium-Ion Capacitors) . Estes dispositivos combinameléctrodos que sofrem reacções faradaicas (bateria) com aqueles que apresentam umcomportamento capacitivo (alta área de superfície de carbono.Bateria de Iões de LítioContém dois eléctrodos de material faradaico.Electrochemical Double Layer CapacitorContém dois eléctrodos de material não faradaico.Ultracondensadores Híbridos: LICCondensadores Híbridos
  91. 91. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 91Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores São uma classe de condensadores assimétricos que utiliza uma bateria como eléctrodo negativoque intercala iões de lítio. Condensadores assimétricos de Lítio/Titânio nanoestruturados(Li4Ti5O12), têm demonstrado excelente ciclo de vida (1 milhão de ciclos-G. Amatucci). Estacapacidade de recarga excepcionalmente alta é devido à estrutura spinélica do Li4Ti5O12. Ele exibeuma alteração de volume <1% durante a intercalação iónica.Outro sistema, conhecido como condensadores de iões de lítio, utiliza um carbono grafítico (LixC6)que deve ser pré-dopado com lítio antes de usar. O ultracondensador de LixC6 apresenta umacapacidade e tensão elevadas (3.8V).No entanto, a densidade de energia de ambos os sistemas é limitada pela baixa capacidade docarvão activado.Lithium Titanate Asymmetric Capacitor Lithium ion Asymmetric CapacitorUltracondensadores Híbridos: LICCondensadores de iões de Lítio
  92. 92. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 92Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores Híbridos: LICCarbono ActivadoElectrólitoCarbono Dopado a LítioLithium-Ion CapacitorEDLCElectrólitoCarbonoActivadoCarbonoActivadoBateria de iões de LítioGrafite LiCoO2ElectrólitoO ânodo (eléctrodo negativo) do condensador de lítio-íon (LIC) consiste de material de carbono que épré-dopada com iões de lítio. Este processo de pré-dopagem reduz o potencial do ânodo e permite queuma alta tensão de saída. Como consequência, os LIC têm maior densidade energética do que os EDLCs.Condensadores Híbridos
  93. 93. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 93Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUm ânodo dopado com lítio é a chave para a tecnologia LIC. Durante a carga e a descarga,a tensão é praticamente constante, resultando numa tensão máxima mais alta e duasvezes a capacitância típicas dos EDLCs.2.3 - 2.7VMax CellVoltageAnode VoltageChangeElectrolyte Oxidation Zone Electrolyte Oxidation Zone3.8VMax CellVoltageNearly constantAnode VoltageAnode VoltageCharge DischargeChargeDischargeUltracondensadores Híbridos: LICCondensadores Híbridos
  94. 94. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 94Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPolo Positivo: Absorção de iões.Polo Negativo: Reacção electroquímica (Área estreita)O LIC é um condensador híbrido que faz uso de reação de ‘Dupla Camada Electroquímicano seu cátodo e a reação de "bateria recarregável de iões de lítio" no seu ânodo. Este é umdispositivo de última geração que tem descarga rápida e tempo ciclo de vida longo, comocaracterísticas de condensadores, e alta densidade energética, como características dasbaterias.Ultracondensadores Híbridos: LICLithium-Ion Capacitordopped
  95. 95. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 95Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSeparadorElectrólitoEléctrodo Positivo(Carvão activado)Polímero dopado(iões de Lítio)Dupla camada eléctrica3,8 VUltracondensadores Híbridos: LICLIC – Li-Ion CapacitorEstrutura:
  96. 96. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 96Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSeparadorEléctrodo Positivo(Carvão activado)Polímero dopado(iões de Lítio)Pacote de EléctrodosCapaCaixaEmbalagem final dos eléctrodos e do impregnado de electrólitoLi- ElectrólitoCondensadores Híbridos -LICEstrutura: Polímero
  97. 97. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 97Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPrimeiro EléctrodoPositivoSeparadorEléctrodo NegativoPartilhadoSeparadorSegundo EléctrodoPositivoParte da Bateriade Li-IonParte doCondensador deLi-IonCondensadores Híbridos -LICEstrutura: PACK
  98. 98. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 98Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores Estes LIC’s fornecem uma tensão máxima nominal de3.8V - cerca de 1,5 vezes mais elevada do que os 2,3-2.7V de ultracondensadores convencionais. Aavançada tecnologia de "Lithium Pré-Dopado" é achave para este novo dispositivo. Lítio pré-dopadopré armazena iões de lítio no ânodo, e permite que aenergia seja utilizada de forma mais eficiente e ociclo de vida de ser aumentado. Os LIC’s têm a combinação das vantagens de ambas, asbaterias de iões de lítio, e dos EDLC’s.Condensadores Híbridos -LICVantagens:Características de desempenho mais flexíveis do que qualquersupercondensador, tendo uma gama de aplicações mais ampla.- Pode alcançar maiores densidades de energia e de potência, semsacrifícios em termos de estabilidade de duração e dedesempenho.Desvantagens:Tecnologia relativamente nova e não comprovada.- Mais pesquisas são necessárias para entender melhor o potencial dos condensadores híbridos
  99. 99. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 99Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCondensadores Híbridos -LICSupercapacitor-battery hybrid energy devices based on nanocomposite units.http://www.pnas.org/content/104/34/13574/F4.expansion.html
  100. 100. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 100Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCondensadores Híbridos -LICSupercapacitor-battery hybrid energy devices based on nanocomposite units.(a) Esquema de um dispositivo híbrido energia de quatroterminais que mostra a disposição de supercondensador ede bateria na configuração paralela.(b) A curva de descarga da bateria e do supercondensador érepresentada em função do tempo. A descarga de bateriacarrega o supercondensador e, posteriormente, osupercondensador é descarregado.(c) Esquema de um dispositivo de energia híbrido de três terminais que pode actuar tanto comosupercondensador com de bateria. Os três terminais são definidos, e os segmentos do dispositivo debateria e de supercondensador são indicados.d) O comportamento da descarga da bateria e a subsequente descarga do supercap, são mostrados. Abateria é descarregada, com os terminais 1 e 2 em curto. Isso carrega simultaneamente o supercapatravés da formação de dupla camada na interface do eléctrodo. Posteriormente, o supercap édescarregado pelos terminais 1 e 3. Um separador adicional (fibra de vidro) é normalmenteadicionado, juntamente com o excesso de espaçador de celulose para melhorar o comportamento.
  101. 101. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 101Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores Assimétricos de iões de LítioEm geral, ultracondensadores assimétricos ou híbridos de iões de lítio, são semelhantes àstradicionais baterias de iões de lítio, excepto que eles armazenam carga na superfície doseléctrodos, em vez de nos eléctrodos. Embora o conceito de ultracondensadores híbridos de iõesde lítio tenha cerca de 20 anos, a procura por dispositivos de armazenamento de energiaalternativos, tem inspirado as recentes melhorias.Normalmente, ultracondensadores padrão podem armazenar apenas cerca de 5% da energia deuma bateria de iões de Lítio. O novo sistema "híbrido pode armazenar cerca de duas vezes maisque os ultracondensadores padrão, embora isto ainda seja muito menor do que as baterias deiões de lítio.No entanto, a vantagem de ultracondensadores é que eles podem capturar e liberar a energia empoucos segundos, proporcionando um tempo de recarga muito mais rápido em comparação comas baterias de iões de lítio.Além disso, as baterias tradicionais de iões de lítio podem ser recarregadas apenas algumascentenas de vezes, o que é muito menos do que os 20.000 ciclos fornecido por um sistema híbrido.Em outras palavras, o ultracondensadores híbridos de iões de lítio têm mais potência instantâneado que as baterias de iões de lítio, mas o armazenam menos energia.
  102. 102. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 102Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresO eléctrodo positivo (cátodo) emprega material activado de carbono, que armazena as cargasnuma dupla camada eléctrica que se cria no interface entre o carbono e o electrólito, semelhantesaos condensadores eléctricos de dupla camada (EDLC).Como consequência, LIC têm uma alta densidade energética. Além disso, a capacidade do ânodo évárias vezes maior do que a capacidade do cátodo. Como resultado, a variação do potencial deânodo durante a carga e descarga é muito menor do que a mudança no potencial do cátodo.O electrólito utilizado em LIC é uma solução de sal de iões de lítio num solvente anidro. Acomposição exacta do electrólito é um segredo bem guardado pelos seus proprietários. OsCondensadores / Ultracondensadores de iões de lítio, são completamente livres de metaispesados ​​como cádmio, chumbo e mercúrio. Eles são, portanto, classificados como ambientalmenteamigáveis.Propriedades do LIC:Célula de alta capacidade, devido á maior capacidade do ânodo.Alta densidade energética (14 Wh/kg ).Alta densidade de potência.Alta fiabilidade.Ampla margem de temperatura de funcionamento (-20:C a 70:C).Baixa descarga em repouso (<5% 25:C em 3 meses).O eléctrodo negativo (ânodo) é feito de um polímero de carbono (Pentaceno), que é pré-dopadoscom iões de lítio. Este processo de pré-doping reduz o potencial do ânodo e resulta numa célula detensão de saída mais alta. Normalmente, as tensões de saída para LIC estão na faixa de 3.8V a 4.0V.Ultracondensadores Assimétricos de iões de Lítio
  103. 103. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 103Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresBaterias, EDLC e LICs todos têm as suas próprias propriedades, que os tornam adequados paraaplicações específicas. O s condensadores de iões de lítio têm uma maior densidade de potênciaem relação às pilhas e LIC são mais seguros no uso do LIB (baterias de iões de lítio), em que asreacções de fuga térmica podem ocorrer. Comparado com Electric Double Layer Capacitor (EDLC),o LIC tem uma tensão maior de saída. Ambos têm densidades semelhantes de potência, masDensidade de energia de um LIC é muito maior.As aplicações potenciais para os LIC são, por exemplo, nos domínios dos sistemas de geração deenergia eólica, sistemas de alimentação ininterrupta fonte (UPS), a compensação do afundamentode tensão, geração de energia foto voltaica, sistemas de recuperação de energia em máquinasindustriais e sistemas de transporte.Ultracondensadores Assimétricos de iões de Lítio
  104. 104. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 104Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  105. 105. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 105Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresIsolamentoEléctricoBinário adequado eHardwareInterconexão emAlumínioPara quê Módulos?Alcançar os valores de tensão e potência desejados.Garantir stress mecânico adequado.Garantir interconexão robusta mas com baixa resistência.Garantir isolamento eléctrico adequado.Garantir adequadas considerações térmicas .Assegurar o cumprimento das normas standerizadas.Aumentar a confiabilidade geral da células.Reduzir ou eliminar a necessidade de manutenção.Ultracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  106. 106. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 106Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores Equações  Módulo166F 48.6VVmax-Vmin=imed (Δt/C)+imedRImed =½(P/Vmax+P/Vmin)τ=RmóduloCmódulo=RCC=Cmódulo______nSérienParaleloR=Rmódulo______nSérienParalelonSérie=______VmaxVmódulonParalelo= nSérie______CCmóduloDeterminar a capacitância do sistema.C=__________(Δt+τ)ImedVmax-VminDeterminar o número de módulos em série e em Paralelo.Ultracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  107. 107. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 107Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresEm aplicações de potência, os supercondensadores sãoutilizados em Módulos (pilhas) onde muitas células sãoligadas em série, ou em paralelo, para obter a tensão epotência desejadas.Rede de BalanceamentoAs disparidades entre os parâmetros de cada célula, farãoque nem todas as células vão apresentar o mesmocarregamento dinâmico e, no final da carga transitória,algumas células podem apresentar excesso de tensão,enquanto outras não são suficientemente carregadas.A tolerância dos supercondensadores é de 20%, mas, presumivelmente, se você comprardo mesmo lote, a tolerância se reduz.Isto implica a introdução de um controlo de BalanceamentoUltracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  108. 108. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 108Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSoluções de balanceamento possíveisUltracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  109. 109. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 109Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresVida do Ultracondensador (vs. temperatura e tensão)A vida útilde todo omódulodiminui.A vida útil do Ultracondensador depende da temperatura e tensão da célula.As discrepâncias da tensão de carga entre as células, deterioram a vida útil esperada.Sendo assim, os ultracondensadores ligados em série, devem ser equilibrados através devários métodos:1) A diferença de capacitância de células ligadas em série deve ser pequena.2) É necessário um circuito de equilíbrio adequado a cada célula.Soluções de balanceamento: Sem balanceamentoUltracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  110. 110. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 110Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCells-voltage with passive balancing circuitst(s)Em função da tensão máxima (Vscmax) e da corrente defuga (Ileakage) com valores correspondentes: Vscmax = 2,8 V,Ileakage = 5 mA). Teremos:Uma resistência é ligada em paralelo com cada um desupercondensadores, como mostrado na figura. Ela permiteo equilíbrio de tensão nas células, dissipando a energia dosupercondensador, manifestando a sobretensão docondensador, por efeito térmico.Soluções de balanceamento: Balanceamento Passivo - dissipativoVSC50ΩA50.102,8VI10VR(Ω( 3leackageSC maxO valor da resistências de equilíbrio foi escolhido de 50 deforma a equilibrar entre a eficiência e o bom balanceamentodinâmico da tensão. Mas não é possível igualar a tensão dacélula rapidamente: são necessários mais do que 5 Ks paraatingir a tensão de operação de 2.5V…Com R = 50, temponecessário para aCorrecção da voltagempara 2,5VEste tipo de balanceamento reduz a eficiência do módulo, de acordo com ovalor da resistência e o perfil de corrente aplicado, devido á corrente debalanceamento contínuo na resistência. Para o valores de baixa resistênciade equilíbrio a eficiência pode cair para o valor de dez por cento. Por outrolado, esta solução pode melhorar levemente a expectativa de vida imediatados supercondensadores.VSC1VSC2SC2SC1R RUltracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  111. 111. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 111Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Diodos Zener – dissipativoNo entanto, não é fácil encontrar zeners com valor de tensão e corrente, adequados paraesta aplicação…Há um outro circuito de equilíbrio de dissipativo que utiliza os díodos Zener, comomostrado na figura. Este circuito equaliza a tensão da células de acordo com a voltagemZener, dissipando a energia extra, por efeito térmico.VCSC2SC1Ultracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  112. 112. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 112Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresDC/DC Circuitos activos Comutação de resistências Kit de integraçãoVantagens: Alta eficiência.Inconvenientes: Vários conversores DC/DC. A implementação dohardware e o seu controlosão muito caros.Vantagens:Solução simples.Inconvenientes: Perda de potência.Vantagens: Alta eficiência. Fácil manutenção.Inconvenientes: Preço elevado.Outra Soluções de balanceamento possíveisUltracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  113. 113. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 113Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Resistências comutadas – Activo dissipativoVC R1R2R1VV refCBalanced)(  O conceito geral consiste em adicionar um comutador controlado a uma resistência deequalização para limitar a dissipação. O comutador liga quando a tensão da célula vaialém da tensão de operação, e desliga quando o nível é inferior a esta tensão. Aeficiência desta solução é largamente superior às solução anterior. A expectativa de vidadoa supercondensadores aumenta de acordo com o valor da resistência decompensação. No entanto, a utilização destes circuitos tem custos adicionais, devido à exigência decomponentes electrónicos.Ultracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  114. 114. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 114Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresS onS offBalanceamento Activo100R balancingSoluções de balanceamento: Resistências comutadas – Activo dissipativoVCSC2SC1Cells-voltage with passive balancing circuitst(s)Com R = 1, temponecessário para a Correcçãoda voltagem para 2,5VVSC2VSC1 Para obter uma dinâmica de equilíbrio mais eficaz,é preciso usar um valor das resistência de menosde 1  sem diminuição importante na eficiênciasendo praticamente independente do valor daresistência de equilíbrio e do perfil da corrente.Ultracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  115. 115. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 115Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Circuitos não dissipativos - ConversoresUltracondensadores: Módulo de UltracondensadoresOutro tipo de circuitos de balanceamento de tensão tem podem ser usados, queempregam estruturas de conversão comutada tipo “buck-boost” com ou semtransformador. Estes circuitos transferem instantaneamente a energia de sobretensão dacélula, para as outras células, a fim de equalizar a tensão em todo o módulo.a) Balanceamento indirecto: driver de corrente usando um conversor redutor/elevador“buck-boost”.b) Balanceamento directo: usando conversor “flyback“ com distribuidor no secundário.c) Balanceamento directo: driver de corrente usando um conversor “forward”.a) b) c)
  116. 116. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 116Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Circuitos não dissipativos para Veículos eléctricosUltracondensadores: Módulo de Ultracondensadores Em sistemas avançados de controlo de energia, como é o caso dos veículos automóveiseléctricos, é necessário um sistema integrados de monitoramento e controlo, dosmódulos de ultracondensadores, semelhantes aos BCUs, existentes para as baterias.
  117. 117. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 117Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresSistema de Controlo (Battery Control Unit) usada nos EV’sSoluções de balanceamento: Circuitos não dissipativos - ConversoresUltracondensadores: Módulo de Ultracondensadores
  118. 118. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 118Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores: Módulo de UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Ultracapacitor Integration Kit Cada placa, equilibra a tensão entre duas células de ultracondensadores adjacentes. Ocircuito monitora as duas células para que tenham a mesma voltagem. Irá conduzircorrente para dentro ou para fora do ponto médio entre as duas células, até que suastensões sejam iguais. O circuito é de tensão independente; vai equilibrar as células, logo que a voltagem totalentre as duas células é acima 1.35V (ou 0.67V por célula). Abaixo desta tensão, o circuitoé devidamente desligado. O circuito não protege contra o excesso de tensão. Portanto, odesigner deve garantir que a tensão máxima do sistema é controlada de forma adequada.O Kit
  119. 119. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 119Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresAo aplicar correctamente um kit de integração, a tensão de cada célula individual ultracondensador émonitorada pelo circuito de Controlo de tensão (em PCB), que protege cada célula de entrar emsituações de excesso de tensão. Se qualquer célula entra em sobretensão, um LED acenderá e oscircuitos activos limitam aquela célula. Uma vez que a célula está de volta dentro de limites de tensãonominal de operação, o LED se apagará.Ultracondensadores: Módulo de UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Ultracapacitor Integration KitEste kit de integração tem como objetivo fornecer todo o hardware e instruções necessárias parainterligar 2, 4 ou 6 ultracondensadores conectados em série.
  120. 120. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 120Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores: Módulo de UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Ultracapacitor Integration Kit
  121. 121. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 121Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores300mA BalancerUltracondensadores: Módulo de UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Ultracapacitor Integration Kit
  122. 122. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 122Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores10mA BalancerUltracondensadores: Módulo de UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Ultracapacitor Integration Kit
  123. 123. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 123Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores: Módulo de UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Ultracapacitor Integration Kit
  124. 124. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 124Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores: Módulo de UltracondensadoresSoluções de balanceamento: Ultracapacitor Integration Kit
  125. 125. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 125Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores: Módulo de UltracondensadoresCáculos: Definir Requisitos dum SistemaFornecer 15 W por 10 segundos; 10V max; 5V minEnergia (Joules) = 1/2 x Capacitância (Farads) x Voltagem2 (Volts)Energia (Watts/ hora) = Energia (Joules) / 3600 (sec)a) Determinar o total de energia necessária:b) Determine a Capacitância baseado em:c) Substitua a fórmula da energia.d) Calcule a capacitância C:J=W/S=10Wx10sec=150JJ=1/2CV2150J=1/2C(Vmax2-Vmin2)C=300/(102-52)=4FAdicionar margem de segurança de 20-40% para cobrir perdas de potência (I2R ).Csistem= 4.8F Calcular o número de células em série (max. voltagem por célula= 2.5V)10V/2.5V = 4 células em sérieCalcular a capacitância por cada célula: C = Csistem x # cells serie= 4.8F x 4 =19.2F per 2.5V “cell”Calcular o número de células em paralelo (assumindo 10F/cell)# parallel = 19.2/10F =2 x 10F cells em paralelo
  126. 126. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 126Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresA nova combinação! A potência de ambos os siatemas. Componente de alta densidade de potência, mais…. Componente de alta densidade energética.Ultracondensadores: Sistemas híbridos de armazenamento de Energia
  127. 127. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 127Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores: Sistemas híbridosO Buffer rápido e o ramo de caché de potência, deve de igualar ou exceder a eficiênciado Lítio, apenas se: Potência combinada de da carga for muito maior que a da bateria.Fornecimento de energia muito mais rápido = tempo de baixa constante de ultracond. Alta eficiência em níveis mais elevados de potência dos ultracond.Ilustração do sistema hibrido de Iões de Lítio para EV’s
  128. 128. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 128Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresRcRbic ioibVc VbvoUltracondensadores: Sistemas híbridos - EV’s Bateria = Fonte ideal de tensão, com uma resistência internaem série. Ultracondensador = capacitância em série com a resistência equivalente (ESR).Pode ser usada para estimar a potência de pico disponível parauma dada bateria, o condensador de carga e ciclo de trabalho.  tvVR1(t)i obbb Corrente da Bateria(t)i(t)i(t)i boc Corrente da Ultracap      koo TDktΦkTtΦI(t)iCorrente na Carga        kTDktcbbobIbcocbbbo TDktΦeRRR1IRevvRRRv(t)v Tensão na CargaIlustração do sistema hibrido de Iões de Lítio para EV’s
  129. 129. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 129Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadores Ultracondensadores fornecem o pico de potência…AvailablePowerRequired PowerUltracapacitor Peak PowerRequired PowerAvailable PowerUltracapacitor Backup PowerUltracondensadores fornecem o pico de potência…...e back-up!....Ultracondensadores: Sistemas híbridos de armazenamento de EnergiaComportamento dos ultracondensadoresIlustração do sistema hibrido de Iões de Lítio para EV’s
  130. 130. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 130Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresPotência(KW)806040200-20-40-60-80-100TempoCarga EVPack Ultracond.= dinâmicaPdmxPcmxUltracondensadores: Sistemas híbridos - EV’sCombinação de um Pack de baterias de iões de Lítio com um Pack de Ultracondensadores.Reference: Potential Ultracapacitor Roles for Hybrid Electric Vehicles Supercapacitor Seminar, 12/10/03Matthew Zolot, Tony Markel, Keith Wipke, and Ahmad Pesaran National Renewable Energy LaboratoryIlustração do sistema hibrido de Iões de Lítio para EV’sMédiaPack Bateria = Energia
  131. 131. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 131Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresRef: Mark W. Verbrugge, Ping Liu, “Analytic Solutions and Experimental Data for Cyclic Voltammetry and Constant Power Operation of Capacitors Consistent withHEV Applications,” Journal of the Electrochemical Society, 153 (6) A1237-A1245 (200), pgs A1237 – A1245Ultracondensadores: Sistemas híbridos - EV’sSet initial state of charge (Uo) of the ultracapto match voltage swing (Pdmx/ Pcmx)O ciclo de condução determina o nível de energia de carga/descarga máxima.Ilustração do sistema hibrido de Iões de Lítio para EV’s
  132. 132. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 132Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresUltracondensadores: Sistemas híbridos - EV’sIlustração do sistema hibrido de Iões de Lítio para EV’s: Configuração paralela Activa• Conversor Dc-dc eficiência a 96%.• A eficiência dos Ultraconds deve ser >95%.• A eficiência combinada do Conversor mais ultraconds, deve ser >92%.• Carga combinada relativa: 0.4PML para 1s, 0.25PML para 2s, 0.1PML para 8s. Os fluxos de energia dos ultracondensadores são controlados através dos sistemainteligente de controlo e gestão de energia para minimizar os ciclos C/D das baterias.
  133. 133. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 133Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresBattery Machenical strctureIlustração do sistema hibrido de Iões de Lítio para EV’sUltracondensadores: Sistemas híbridos
  134. 134. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 134Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresAFS Trinity xh-150 Plug-in Hybrid Electric Vehiclehttp://www.youtube.com/watch?v=Fk7xbcnzxks&feature=player_embedded#at=26Ilustração do sistema hibrido de Iões de Lítio para EV’sUltracondensadores: Sistemas híbridos
  135. 135. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 135Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadoreshttp://ada.communityisoft.com/default.aspColectores de CorrenteMóduloSeparadorElectrólito,Líquidos iónicos,Gel,Polímeros…ÂnodoCátodoLíquidos iónicosMalha de PolímerosOs actuais ultracaps sofrem de desempenho limitado, segurança pobre, e de curto ciclo de vida. Estaslimitações são devidas às propriedades dos materiais actuais dos eléctrodos e do electrólito, queimpedem a utilização mais generalizada dos ultracaps no domínio da electrónica moderna.Componentes inflamáveis ​​e corrosivos também criam preocupações de segurança e posteriorreciclagem eliminação dos ultracaps existentes.A combinação das propriedades únicas dos nanotubos de carbono (CNT) com os eléctrodos deelectrólitos líquidos iónicos tem o potencial de revolucionar a tecnologia ultracaps. Os ultracaps ADAusam recursos avançados de energia e densidade de potência que excedem os padrões actuais deEnergia . Esta tecnologia utiliza ultracaps seguros, componentes estáveis ​e exibem um excelente ciclode vida.Ultracondensadores: Próximo Passo?
  136. 136. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 136Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadoreshttp://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20061122/124184/Condensadores podem ser divididos em design simétrico, que utilizam o mesmo tipo de material ábase de carbono, tanto para o ânodo como para o cátodo, e de design assimétrico, os que utilizammateriais diferentes. Densidade de energia do condensador é expressa como 1/2CV2, de modo quepara aumentar a densidade de energia, pode-se utilizar um electrólito diferente para elevar a tensão(V), ou alterando o material do eléctrodo para um com maior capacidade electrostática (C). A razãopela qual muitas firmas fabricantes usam um electrólito com iões de Lítio é que condensadoresconvencionais com electrólitos de solventes orgânicos só podem atingir cerca de 3V, enquanto que autilização dos iões Li permite que a tensão seja aumentada para 4.2V. Condensadores indicados comlinhas tracejadas usam electrólito de condução de iões de lítio, e, por conseguinte, têm uma estruturamuito semelhante á das baterias recarregáveis de iões de lítio.Ultracondensadores: Próximo Passo?
  137. 137. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 137Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresAbsolutamente necessário: compreender a estrutura dos sais solventes e as suaspropriedades físicas.Performance – Criar uma linha de relação entre as performance do dispositivo e asinteracções moleculares/volume dos mesmos. Desenvolver novos materiais e arquitecturas, que impulsionarão, num próximo futuro, aenergia e potência dos EDLC’s.Eléctrodos de Materiais com controlo de porosidade e área de superfície em contactodirecto e geometrias ordenadas na superfície dos colectores de corrente.Ultracondensadores: Próximo Passo?Excerpted from: Bruce Dunn, Yury Gogotri, Plenary Closing Session Remarks, DOE Basic Research Needs Workshop on Electrical EnergyStorage, Washington, D.C., 4 April 2007
  138. 138. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 138Mobilidade Eléctrica : Ultracondensadorese-e-e-Schematic diagrams showing the presence of a thin oxide layer over nanoparticle VN generated by a two-step ammonolysisapproach, shown to exhibit very high capacitances of up to 1340 F/g.(See Ref. 42. Reproduced with permission from Wiley-VCH VerlagGmbH & Co. KGaA.)Ultracondensadores: Próximo Passo?
  139. 139. 10-05-2013 Por : Luís Timóteo 139Mobilidade Eléctrica : UltracondensadoresCom a gravação química de eléctrodos de películas de carbono monolítico num substrato condutorde carboneto de titânio, os cientistas foram capazes de criar micro-supercondensadoresapresentando uma densidade de armazenamento de energia que foi pelo menos o dobro dosmelhores supercondensadores agora disponíveis. Quando utilizado em combinação commicrobaterias, as densidades de energia e tempos de ciclo desses micro-supercondensadores, deveaumentar substancialmente o desempenho e a longevidade dos dispositivos portáteis dearmazenamento de energia eléctrica.A técnica em que a alta temperatura de cloração é usada para gravar eléctrodos de carbono numapelícula de carboneto de titânio, tem potencial para fazer um supercondensador compatível com afabricação de um microchip de silício e com uma alta densidade de potência e ciclo de vidapraticamente infinito.O próximo passo, é de reduzir o tamanho dos eléctrodos e melhorar o processo de erosão seca (dryetching) para remover átomos de metais de carbonetos metálicos para tornar o processo aindamais compatível com a tecnologia de microfabricação comercial…Está-se trabalhando no desenvolvimento de novos electrólitos, que podem ajudar a aumentar adensidade de armazenamento de energia dos ultracondensadores. Também se está investigandoos factores que controlam a janela de tensão utilizável , dos diferentes electrólitos num eléctrodode carbono.Os principais objectivos são aumentar a energia armazenada para níveis mais próximos dasbaterias, e preservar os milhões de ciclos de carga/descarga e os tempos de recarga em menos decinco minutos nestes dispositivos. Isso é o que os utilizadores finais de dispositivos portáteis dearmazenamento de energia realmente desejam.Ultracondensadores: Próximo Passo? Microfabricação

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