Os supercapacitores são um tipo de dispositivo apropriadamente denominado que pode armazenar e fornecer energia mais rapidamente do que as baterias convencionais. Eles estão em alta demanda para aplicações que incluem carros elétricos, telecomunicações sem fio e lasers de alta potência.

Mas para realizar essas aplicações, os supercapacitores precisam de eletrodos melhores, que conectem o supercapacitor aos dispositivos que dependem de sua energia. Esses eletrodos precisam ser mais rápidos e mais baratos para serem fabricados em larga escala e também capazes de carregar e descarregar sua carga elétrica mais rapidamente. Uma equipe de engenheiros da Universidade de Washington acredita ter criado um processo para a fabricação de materiais para eletrodos de supercapacitores que atenderão a essas rigorosas demandas industriais e de uso.

Os pesquisadores, liderados pelo professor assistente de ciência e engenharia de materiais da UW, Peter Pauzauskie, publicaram um artigo em 17 de julho na revista Nature Microsystems and Nanoengineering descrevendo seu eletrodo supercapacitor e a maneira rápida e barata como o fabricaram. Seu novo método começa com materiais ricos em carbono que foram secos em uma matriz de baixa densidade chamada aerogel. Este aerogel por si só pode atuar como um eletrodo bruto, mas a equipe de Pauzauskie mais que dobrou sua capacitância, que é a capacidade de armazenar carga elétrica.

Esses materiais iniciais baratos, juntamente com um processo de síntese simplificado, minimizam duas barreiras comuns à aplicação industrial: custo e velocidade.

“Em aplicações industriais, tempo é dinheiro”, disse Pauzauskie. “Podemos fabricar os materiais iniciais para esses eletrodos em horas, em vez de semanas. E isso pode reduzir significativamente o custo de síntese para a fabricação de eletrodos supercapacitores de alto desempenho.”

Eletrodos supercapacitores eficazes são sintetizados a partir de materiais ricos em carbono que também possuem uma grande área superficial. O último requisito é crítico devido à maneira única como os supercapacitores armazenam carga elétrica. Enquanto uma bateria convencional armazena cargas elétricas através das reações químicas que ocorrem dentro dela, um supercapacitor armazena e separa cargas positivas e negativas diretamente em sua superfície.

“Os supercapacitores podem agir muito mais rápido do que as baterias porque não são limitados pela velocidade da reação ou pelos subprodutos que podem se formar”, disse o coautor principal Matthew Lim, estudante de doutorado da UW no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. “Os supercapacitores podem carregar e descarregar muito rapidamente, e é por isso que são ótimos para fornecer esses ‘pulsos’ de energia.”

“Eles têm ótimas aplicações em ambientes onde a bateria por si só é muito lenta”, disse o autor principal Matthew Crane, estudante de doutorado no Departamento de Engenharia Química da UW. “Em momentos em que uma bateria é muito lenta para atender às demandas de energia, um supercapacitor com um eletrodo de alta área superficial poderia ‘entrar em ação’ rapidamente e compensar o déficit de energia.”

Para obter a grande área superficial para um eletrodo eficiente, a equipe usou aerogéis. São substâncias úmidas, gelatinosas, que passaram por um tratamento especial de secagem e aquecimento para substituir seus componentes líquidos por ar ou outro gás. Esses métodos preservam a estrutura 3D do gel, conferindo-lhe uma alta área superficial e uma densidade extremamente baixa. É como remover toda a água da gelatina sem encolher.

“Um grama de aerogel contém tanta área de superfície quanto um campo de futebol”, disse Pauzauskie.

Crane fez aerogéis a partir de um polímero semelhante a gel, um material com unidades estruturais repetidas, criado a partir de formaldeído e outras moléculas à base de carbono. Isto garantiu que o seu dispositivo, tal como os eléctrodos supercapacitores actuais, consistiria em materiais ricos em carbono.

Anteriormente, Lim demonstrou que a adição de grafeno – que é uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura – ao gel imbuiu o aerogel resultante com propriedades de supercapacitor. Porém, Lim e Crane precisavam melhorar o desempenho do aerogel e tornar o processo de síntese mais barato e fácil.

Nas experiências anteriores de Lim, a adição de grafeno não melhorou a capacitância do aerogel. Então, em vez disso, eles carregaram aerogéis com finas folhas de dissulfeto de molibdênio ou dissulfeto de tungstênio. Ambos os produtos químicos são amplamente utilizados hoje em lubrificantes industriais.

Os pesquisadores trataram ambos os materiais com ondas sonoras de alta frequência para quebrá-los em folhas finas e incorporá-los à matriz do gel rico em carbono. Eles poderiam sintetizar um gel úmido totalmente carregado em menos de duas horas, enquanto outros métodos levariam muitos dias.

Depois de obterem o aerogel seco e de baixa densidade, combinaram-no com adesivos e outro material rico em carbono para criar uma “massa” industrial, que Lim poderia simplesmente estender em folhas com apenas alguns milésimos de polegada de espessura. Eles cortaram discos de meia polegada da massa e os montaram em invólucros simples de bateria de célula tipo moeda para testar a eficácia do material como eletrodo de supercapacitor.

Seus eletrodos não apenas eram rápidos, simples e fáceis de sintetizar, mas também apresentavam uma capacitância pelo menos 127% maior do que o aerogel rico em carbono sozinho.

Lim e Crane esperam que aerogéis carregados com folhas ainda mais finas de dissulfeto de molibdênio ou dissulfeto de tungstênio - as deles tinham cerca de 10 a 100 átomos de espessura - apresentariam um desempenho ainda melhor. Mas, primeiro, queriam mostrar que os aerogéis carregados seriam mais rápidos e baratos de sintetizar, um passo necessário para a produção industrial. O ajuste fino vem a seguir.

A equipe acredita que esses esforços podem ajudar o avanço da ciência mesmo fora do domínio dos eletrodos de supercapacitores. Seu dissulfeto de molibdênio suspenso em aerogel pode permanecer suficientemente estável para catalisar a produção de hidrogênio. E seu método para reter materiais rapidamente em aerogéis poderia ser aplicado a baterias de alta capacitância ou catálise.