Engenheiros alcançaram um avanço significativo no esforço internacional para criar tecnologias de armazenamento de energia que combinem carregamento rápido com alta capacidade de potência, abrindo caminho para sistemas de próxima geração em transporte elétrico, suporte à rede e eletrônicos do dia a dia.
De acordo com findings publicados na Nature Communications, os pesquisadores desenvolveram um novo material à base de carbono que possibilita que supercapacitores mantenham níveis de energia comparáveis aos de baterias de chumbo-ácido tradicionais, enquanto liberam essa energia muito mais rapidamente do que os designs conveninais de baterias.
Supercapacitores são uma categoria em desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia que dependem do armazenamento de carga eletrostática, em vez das reações químicas utilizadas nas baterias. Um desafio persistente tem sido que apenas uma pequena parte da área de superfície do carbono necessária para o armazenamento de energia é utilizável.
Desbloqueando Mais do Potencial do Carbono
O professor Mainak Majumder, diretor do ARC Research Hub for Advanced Manufacturing with 2D Materials (AM2D) no Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Monash, participou do estudo.
“Nossa equipe demonstrou como desbloquear muito mais dessa área de superfície simplesmente alterando a maneira como o material é tratado termicamente,” disse o professor Majumder.
“Essa descoberta poderia nos permitir construir supercapacitores de carregamento rápido que armazenem energia suficiente para substituir baterias em muitas aplicações e entregá-la muito mais rapidamente.”
Arquitetura Inovadora de Grafeno Impulsiona o Avanço
Os pesquisadores atribuíram esse progresso a uma nova arquitetura de material chamada óxido de grafeno reduzido em multiescala (M-rGO), criado a partir de grafite natural, um recurso abundante na Austrália.
Através de um processo de recocção térmica rápida, a equipe formou uma estrutura de grafeno altamente curva com caminhos controlados que permitem que íons se movam com velocidade e eficiência excepcionais. Isso resultou em um material capaz de alta densidade de energia e alta densidade de potência, uma combinação raramente alcançada em um único dispositivo.
Desempenho Recorde em Dispositivos Reais
Dr. Petar Jovanović, pesquisador associado no ARC AM2D Hub e coautor do estudo, explicou que, ao serem incorporados em dispositivos de célula pouch, os supercapacitores da Monash demonstraram:
- Densidades de energia volumétrica de até 99,5 Wh/L (em eletrólitos de líquido iônico)
- Densidades de potência tão altas quanto 69,2 kW/L
- Capacidades de carregamento rápido com excelente estabilidade de ciclo.
“Esses indicadores de desempenho estão entre os melhores já relatados para supercapacitores à base de carbono, e crucialmente, o processo é escalável e compatível com matérias-primas australianas,” disse o Dr. Jovanović.
Rumo ao Uso Comercial
Dr. Phillip Aitchison, CTO da spinout da Universidade Monash Ionic Industries e coautor do estudo, observou que os esforços para comercializar a tecnologia já estão em andamento.
“A Ionic Industries foi estabelecida para comercializar inovações como essas e agora estamos produzindo quantidades comerciais desses materiais de grafeno,” disse o Dr. Aitchison.
“Estamos trabalhando com parceiros de armazenamento de energia para levar essa inovação a aplicações de mercado – onde tanto a alta energia quanto a entrega rápida de potência são essenciais.”
O projeto recebeu apoio do Australian Research Council e do US Air Force Office of Sponsored Research, e se alinha com o objetivo mais amplo da Universidade Monash de promover materiais para um futuro de energia de baixo carbono.