Supercapacitores se destacam entre as tecnologias de armazenamento de energia pela sua potência (a velocidade com que conseguem carregar e entregar energia) e pela sua vida útil (a quantidade de ciclos de carga e descarga que podem oferecer). Todavia, esses dispositivos são limitados quanto à densidade de energia, que é a quantidade de eletricidade que são capazes de armazenar.

No contexto do CINE, pesquisadores da UNIFESP ligados ao programa de Ciência Computacional de Materiais e Química têm se somado aos esforços de outros cientistas do mundo com o objetivo de superar essa limitação. Usando métodos computacionais que conseguem descrever sistemas em nível atômico, eles estudaram o desempenho de supercapacitores cujos eletrólitos são formados por líquidos iônicos (compostos iônicos, também chamados de sais, que têm a particularidade de serem líquidos à temperatura ambiente). Entre outros resultados, os autores concluíram que a densidade energética desses dispositivos pode ser bem próxima à das baterias de íons de lítio. O trabalho foi recentemente reportado em artigo  do periódico Electrochimica Acta.

O eletrólito, vale lembrar, é o componente do supercapacitor, geralmente líquido, que fica confinado entre os eletrodos. Quando um potencial é aplicado no dispositivo (ou seja, quando o supercapacitor é ligado na tomada), os eletrodos polarizam, adquirindo carga positiva e negativa, respectivamente. Nesse momento, uma camada de íons de carga oposta passa a aderir à superfície de cada eletrodo. E nessa interação entre os íons do eletrólito e a superfície do eletrodo, gera-se a corrente elétrica desejada.

“O que chama a atenção da comunidade científica para os líquidos iônicos no contexto de supercapacitores é a grande estabilidade química que alguns deles possuem”, conta o professor Leonardo J. A. Siqueira (UNIFESP), pesquisador associado no CINE e coautor do trabalho. “Esta propriedade permitiria a construção destes dispositivos de armazenamento de energia com elevada densidade de energia”, completa o cientista.

No trabalho publicado na Electrochimica Acta, os autores usaram simulações de dinâmica molecular para avaliar a potência e a densidade energética de supercapacitores formados por eletrodos porosos, os quais oferecem maior capacidade de armazenar cargas graças à sua grande área superficial, e eletrólitos de líquidos iônicos. Eles exploraram as possibilidades com dois líquidos iônicos diferentes, tanto puros quanto misturados em diferentes proporções, e com eletrodos porosos e não porosos.

“Mostramos que supercapacitores contendo líquidos iônicos e eletrodos porosos com poros uniformes de 1 nanômetro podem armazenar quase a mesma quantidade de energia que uma bateria de íon lítio como aquelas que estão em nossos notebooks e celulares”, diz o professor Siqueira.

Além disso, os autores concluíram que o mecanismo físico pelo qual os supercapacitores armazenam carga muda em decorrência do volume dos íons e da maneira como interagem com o eletrodo. “Eletrólitos formados por íons pouco volumosos e com baixa viscosidade contribuem para que o supercapacitor tenha maior capacidade de armazenar energia sem comprometer o desempenho em termos de potência”, afirma Siqueira.

O trabalho abre possibilidades no desafio de desenvolver dispositivos capazes de armazenar energia reunindo velocidade de carga e densidade energética – uma demanda que se torna mais importante perante a necessidade crescente de se armazenar eletricidade proveniente de fontes renováveis. “Os líquidos iônicos ainda possuem um elevado custo, mas, com a produção em escala, o seu custo pode vir a diminuir e ser uma realidade em supercapacitores e baterias”, comenta o professor Siqueira.

A pesquisa foi realizada dentro do mestrado de Pedro Henrique de Lima Ferreira e do doutorado de Abner Massari Sampaio, ambos sob orientação de Siqueira, e contou com apoio financeiro da FAPESP, Shell e Capes, além do suporte estratégico da ANP.

Referência do artigo científico: Energy and power performances of binary mixtures of ionic liquids in planar and porous electrodes by molecular dynamics simulations. Pedro H.L. Ferreira, Abner M. Sampaio, Leonardo J. A. Siqueira. Electrochimica Acta. Volume 410, 1 April 2022, 139982. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.139982.

Autores do artigo que são membros do CINE: Leonardo J. A. Siqueira (professor da UNIFESP) e Abner Massari Sampaio (doutorando).