Acabou a bateria do seu celular. De novo. Quem nunca sonhou com um futuro no qual celulares carregam instantaneamente e permanecem assim para todo o sempre? Com os capacitores — ou ultracapacitores — ficando cada vez melhores em armazenar energia, muito em breve eles podem vir a substituir baterias e realizar pelo menos metade desse sonho.

Tanto as baterias como os  capacitores são dispositivos que armazenam energia, o que faz com que a diferença entre eles fique meio confusa. Mas, basicamente, é o seguinte: baterias armazenam energia por reação química, enquanto capacitores a armazenam por campo elétrico.

Saber a diferença entre os processos é determinante para compreender por que capacitores funcionam onde baterias falham. Então vamos entender como energia é armazenada em um campo elétrico.

O que é exatamente um capacitor?

Simplificando, um capacitor é formado por duas chapas de metal (condutores) separadas por um isolante (cerâmica, metal ou plástico) no meio. Elétrons se acumulam em uma das placas, fazendo com que um lado fiquei com a carga negativa e o outro com a positiva. Quando os elétrons fluem de um lado paro o outro, um capacitor funciona.

Já as baterias de íons de lítio dependem de uma reação química para produzir energia que depois é transformada num circuito elétrico. Capacitores não precisam desse passo extra, por isso eles podem descarregar e carregar com muito mais rapidez. Outra vantagem de pular a reação química é que capacitores não acabam inutilizados depois de algumas centenas de carregamentos, como a bateria do seu laptop e celular.

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O problema do capacitor — um grande problema, inclusive — é que ele só consegue armazenar uma pequena fração de energia enquanto uma bateria do mesmo tamanho pode armazenar muito mais. E é aqui que os ultracapacitores entram.

Tá, mas o que é um ultracapacitor?

Pelo nome já dá para saber que ele é muito melhor, mas a maneira como ele funciona é um pouco mais complicada: as chapas de metal do ultracapacitor são revestidas com uma espécie de carbono esponjoso — nanotubos de carbono ou grafeno são ideais porque são bem finos. Tudo é imerso em eletrólito, um líquido com um monte de íons em sua composição.

Quando o ultracapacitor é carregado, os íons positivos são atraídos para o elétrodo negativo e vice-versa. Lembre que as cargas de um capacitor são separadas por uma camada isolante. Em um ultracapacitor, a distância entre as cargas é cerca de dez mil vezes menor. Como o tamanho do campo elétrico é inversamente relacionado à distância entre cada carga, o ultracapacitor tem muito mais capacidade de armazenamento. E a porosidade do carbono significa uma área de superfície muito maior para os íons se agarrarem.

Cientistas esperam criar ultracapacitores com densidade de energia comparável às baterias–mas ainda não estamos lá.

A tartaruga e a lebre

Os pontos fortes e fracos de ambos os dispositivos são muito bem explicadas por Santiago Miret, da Berkeley Energy and Resources Collaborative, que os compara à fábula da tartaruga e a lebre.

A bateria representa a tartaruga, pois é uma forma lenta, mas estável para grandes demandas de energia, e o supercapacitor representa a lebre, uma forma rápida de carga e descarga e ideal para demandas pequenas.

Então qual máquina é um bom exemplo para usar capacitores como forma de energia? Os ônibus! Eles são projetados para parar após percorrer alguns metros (o que é bem frustrante quando se fica atrás de um deles). Mas ônibus abastecidos por ultracapacitores podem carregar rapidamente a cada parada, eliminando a necessidade de cabos de energia e baterias pesadas.

Além disso, os ultracapacitores podem ser carregados com freadas, da mesma forma que a bateria do Prius é. A Sinautec criou ônibus híbridos que fazem exatamente isso.

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Um ônibus híbrido que usa capacitores. Imagem: Maxwell

Capacitores podem ter um papel importante no futuro da energia reutilizável. Energia solar e eólica tendem a gerar energia em pequenas explosões que nem sempre correspondem ao momento que as pessoas usam mais eletricidade (geralmente durante as tardes, especialmente no verão). Em alguns casos, elas geram tanta eletricidade fora da necessidade que os fornecedores precisam pagar consumidores para receber esse extra — aí  o preço da energia se torna negativo. E mesmo assim é preciso manter energias à gás e carvão em funcionamento caso as renováveis não consigam suprir a demanda. A solução para estes problemas é, teoricamente, óbvia: armazenamento. E é aí que os capacitores entram.

Existem algumas ideias loucas de capacitores por aí. São dispositivos tão diferentes das baterias que eles meio que destroem as ideias convencionais que temos sobre armazenamento de energia. Por exemplo, capacitores são volumosos, lembra? Bem, ano passado cientistas criaram um capacitor super forte que um dia poderia ser usado em paredes, transformando uma casa inteira em um armazém de energia.

Mas isso nos leva de volta aos nossos celulares e pequenos aparelhos tecnológicos, aos quais os ultracapacitores acabam não sendo muito aplicáveis. Telefones com ultracapacitores poderiam carregar em questão de segundos, mas a bateria ainda duraria apenas um dia, o que é um limitação irritante.

Mas existe um lugar que o ultracapacitor tem potencial para quebrar barreiras: o carro elétrico.

Baterias e capacitores podem funcionar juntos?

A Tesla, uma companhia de carros elétricos está construindo uma fábrica de baterias gigantesca no meio do deserto, fazendo uma aposta enorme nas tecnologias de bateria que tornariam possível uma frota de carros elétricos. Mas Elon Musk, CEO da Tesla reconhece o poder transformacional dos capacitores — quando a tecnologia chegar.

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Em 2013, pesquisadores da Coréia do Sul criaram supercapacitores de grafeno com uma densidade de energia quase comparável as bateria de íons de lítio. A noticia foi recebia com louvores, mas ainda tem um porém: ninguém descobriu como fazer grafeno em massa de forma barata. Baterias de íons de lítio podem ser pesadas e imperfeitas, mas ainda são o mais prático para os carros elétricos que temos no momento.

Mas a solução pode não ser necessariamente baterias ou capacitores, mas, sim uma junção dos dois. A tartaruga e a lebre possuem pontos fortes distintos que complementam um ao outro. Aceleração consome muita energia, então se carros elétricos pudessem acelerar usando capacitores, que também descarregam rapidamente, a bateria poderia ser menor e mais leve, dessa forma aumentando o alcance do carro. O carro de corrida híbrido da Toyota, o TS040, usa uma estratégia parecida: um supercapacitor que acrescenta 480 cavalos ao motor.

Ultracapacitores que ultrapassem o poder atual das baterias podem um dia fornecer energia para nossos carros — e talvez até nossos celulares, seja lá como eles vão ser no futuro distante. A tecnologia do ultracapacitor ainda é nova e, em um futuro a curto prazo, baterias e capacitores têm papeis a cumprir, e não como rivais, mas complementadores.

Imagem de destaque: Um capacitor de chapas paralelas. Neste caso, a camada isolante no meio das chapas é o ar. Crédito:Wikimedia Commons/Hannes Grobe

[Berkeley Energy and Resources Collaborative, MIT Technology Review, Gigaom]