Supercapacitores híbridos oferecem alternativa de armazenamento de energia

A bateria recarregável e o supercapacitor têm cada um prós e contras relativos, mas um o design híbrido que combina as duas tecnologias em uma única estrutura pode superar muitas das limitações de cada uma.
O capacitor elétrico de camada dupla (EDLC) - mais frequentemente chamado de “supercapacitor” e às vezes de “ultracapacitor” - é um incrível componente de armazenamento de energia passiva. Como resultado de sua alta capacitância de vários farads e tamanho pequeno, ele fornece armazenamento de energia de alta densidade por volume e peso. Em algumas aplicações de sensoriamento remoto, IoT e fontes de coleta de energia, os supercaps são uma alternativa às baterias recarregáveis; em outras situações, eles são usados ​​em conjunto com baterias para superar alguns dos pontos fracos desses componentes de armazenamento de energia com base eletroquímica. Não é que um seja inerentemente melhor do que o outro; em vez disso, supercaps e baterias recarregáveis ​​(independentemente da química), cada um tem seus pontos fortes e fracos relativos. As prioridades do aplicativo determinam qual delas faz mais sentido, ou ambas são necessárias em algum tipo de arranjo tandem.

Existe outra alternativa interessante para escolher apenas um ou mesmo ambos como dois componentes discretos:o supercapacitor híbrido. Este dispositivo de armazenamento de energia não é apenas uma combinação óbvia de uma bateria recarregável e uma supercap. Em vez disso, ele usa uma construção exclusiva em que o conjunto único é uma supercap e uma bateria de íon de lítio ao mesmo tempo, Figura 1 (consulte as referências para obter mais detalhes).

Figura 1:Esta visão de nível superior da estrutura do supercapacitor híbrido mostra que não é um supercapacitor e uma bateria compartilhando um único pacote de dois terminais. (Fonte da imagem:Taiyo Yuden)

Entre os fornecedores desses supercaps híbridos estão Taiyo Yuden (a empresa os chama de supercapacitores de íon-lítio, o que é tecnicamente correto), Eaton e Maxwell Technologies, Inc. (agora parte da Tesla).

Existem muitas tabelas publicadas fornecendo comparações entre supercaps padrão e baterias recarregáveis ​​de íon de lítio (tabela 1). Lembre-se de que cada recurso e fornecedor tem uma perspectiva diferente, como seria de esperar, e que a própria tecnologia está evoluindo rapidamente.

Tabela 1:compara as características de nível superior dos supercapacitores com as baterias recarregáveis ​​de íon de lítio; cada um pode ter um conjunto diferente de entradas, dependendo da fonte de informações e do tempo. (Fonte da imagem:Maxwell Technologies, Inc., via Battery University)

Apesar das virtudes aparentes desses supercaps híbridos, sempre tive sentimentos confusos sobre dispositivos e estruturas híbridas em geral. Por um lado, a combinação de duas tecnologias ou materiais muitas vezes nos permite reter os melhores aspectos de cada um, enquanto superamos alguns pontos fracos. Isso não se aplica apenas à eletrônica:pense no concreto reforçado com barras ou nos polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP) usados ​​como revestimento da última geração de corpos e apêndices de aeronaves.

Ao mesmo tempo, essas combinações às vezes apresentam novas deficiências. Por exemplo, o equipamento de teste multifuncional pode ter especificações reduzidas ou alguns limites de flexibilidade em comparação com unidades otimizadas de uso único. O amplamente conhecido “canivete suíço” é um exemplo não elétrico:cada uma de suas ferramentas individuais pode ser “OK o suficiente”, mas definitivamente não é tão boa quanto uma ferramenta dedicada; no entanto, a combinação geral lâmina / acessório e embalagem trazem benefícios em tamanho, peso e custo.

Para supercaps híbridos, também há um problema de gerenciamento. As baterias recarregáveis ​​de íon-lítio têm suas necessidades específicas no que diz respeito à supervisão das taxas de carga e descarga, contagem de coulomb e temperatura (para citar alguns fatores) - e os supercaps têm sua própria lista comparável. Então, como o supercap híbrido deve ser gerenciado? As táticas estarão em conflito ou são semelhantes o suficiente para que uma única abordagem possa funcionar para o híbrido de dois terminais?

Eu penso sobre o diodo de túnel:apesar de suas características atraentes de desempenho, como um dispositivo de dois terminais sem conexões distintas de entrada-saída-aterramento, era bastante difícil de usar e, portanto, caiu em desgraça; o mesmo vale para o diodo PIN (basta olhar alguns de seus esquemas de circuito de aplicação). Talvez ICs como o recentemente introduzido Maxim MAX38889, um regulador reversível / boost de 2,5 V a 5,5 V, 3A otimizado para aplicações de backup de supercap, funcionem bem para ambos? (Figura 2)

Figura 2:O MAX38889 visa especificamente o gerenciamento do supercapacitor; também pode haver uma bateria no circuito. (Fonte da imagem:Maxim Integrated Products)

Decidir se usar uma solução híbrida para um determinado problema geralmente envolve pesar compensações difíceis de avaliar. Além das vantagens óbvias em que cada componente supera um ou mais itens em curto do outro, também há muitos casos em que novos pontos fracos são introduzidos.

Faz sentido usar o híbrido supercap? A resposta é simples:depende. Em alguns casos, uma nova deficiência é inaceitável no aplicativo, enquanto em outros, os novos benefícios superam as desvantagens. Quantitativamente, o modelo não deve apenas resolver a equação "é 1 +1 <, =ou> 2?" mas também deve avaliar quaisquer lacunas que a solução crie também.

Qual tem sido sua experiência com soluções híbridas - combinadas ou mescladas (e não apenas supercaps híbridos)? O ganho geral foi mais importante do que qualquer outra desvantagem? Como você faz o julgamento sobre o equilíbrio entre as vantagens e desvantagens da abordagem híbrida?

Referências
Eaton, “Explicação dos supercapacitores híbridos”

Eaton, “Livro Branco do supercapacitor HS Hybrid”

Battery University, “BU-209:How does a Supercapacitor Work?”

Taiyo Yuden, "Lithium Ion Capacitors:The Ultimate EDLC Replacement"

Taiyo Yuden, “Power Storage Devices:Lithium Ion Capacitors; Capacitores elétricos de camada dupla ”

Resumos técnicos, "Supercapacitores se tornam híbridos para maior desempenho e eficiência"

>> Este artigo foi publicado originalmente em nosso site irmão, EE Vezes.

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