High-energy supercapacitor constructed of La-doped ZnFe₂O₄ positive electrode material and hydrophilic carbon nanotube negative electrode

No mundo moderno, a demanda por energia limpa e portátil está crescendo mais rápido do que nunca. Dependemos de baterias para alimentar tudo, desde smartphones até carros elétricos, mas as baterias tradicionais têm uma limitação: elas levam muito tempo para carregar e muitas vezes não conseguem liberar sua energia rapidamente o suficiente para tarefas de alta potência. É aqui que entram os supercapacitores. Pense neles como os velocistas do mundo da energia. Ao contrário das baterias, que armazenam energia através de mudanças químicas lentas no interior de sua estrutura, os supercapacitores armazenam energia na superfície de seus materiais, permitindo que carreguem e descarreguem em segundos. No entanto, eles historicamente lutaram para reter tanta energia total quanto as baterias. O desafio para os cientistas é construir um supercapacitor que seja ao mesmo tempo rápido e potente, capaz de armazenar uma grande quantidade de energia sem sacrificar sua velocidade. Para fazer isso, os pesquisadores devem projetar os minúsculos materiais dentro do dispositivo para terem mais área de superfície e melhores camplays para o fluxo de eletricidade.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Comércio de Harbin deu um passo significativo para resolver esse problema ao criar um novo tipo de supercapacitor que combina dois materiais distintos para maximizar o desempenho. Eles focaram em um eletrodo positivo feito de um composto chamado ferrita de zinco, conhecido por sua capacidade de armazenar energia, mas que frequentemente sofre com a baixa condutividade elétrica. Para corrigir isso, a equipe modificou o material adicionando uma pequena quantidade de um elemento de terras raras chamado lantânio. Esse processo, conhecido como dopagem, não foi feito aleatoriamente; os pesquisadores controlaram cuidadosamente o tempo e a quantidade de lantânio adicionado para encontrar o equilíbrio perfeito. Eles descobriram que tratar o material por doze horas com um conteúdo de lantânio de 0,5% criou uma estrutura única, semelhante a flocos. Sob um microscópio, esse material parecia uma pilha de folhas finas e rugosas em vez de esferas lisas. Essa forma rugosa e em camadas é crucial porque fornece uma vasta área de superfície para que as reações químicas ocorram, efetivamente dando ao material mais "vagas de estacionamento" para a carga elétrica.

Os pesquisadores também projetaram o lado negativo do dispositivo usando nanotubos de carbono, que são tubos ocos incrivelmente finos feitos de carbono. Embora esses tubos sejam naturalmente fortes e condutores, a equipe os tratou para se tornarem hidrofílicos, o que significa que eles "amam" água. Ao adicionar grupos químicos específicos à superfície dos tubos, eles garantiram que o eletrólito líquido — a solução de água salgada que transporta íons entre os eletrodos — pudesse molhar o material perfeitamente. Isso reduz a resistência e permite que os íons se movam livre e rapidamente. Quando esses dois materiais otimizados foram combinados em um supercapacitor assimétrico, os resultados foram impressionantes. O dispositivo demonstrou uma alta capacidade de armazenamento de energia, com o eletrodo positivo sozinho retendo 426 unidades de capacitância por grama. Mais importante, o mecanismo de armazenamento de energia foi dominado por reações de superfície em vez de difusão lenta, o que significa que o dispositivo podia carregar e descarregar rapidamente sem perder muita eficiência.

O desempenho deste novo dispositivo foi testado sob condições rigorosas para ver como ele se comportava ao longo do tempo e sob estresse. Quando o supercapacitor era carregado e descarregado em altas velocidades, ele mantinha uma forte capacidade de armazenar energia, provando que o mecanismo controlado pela superfície estava funcionando conforme o pretendido. Mesmo após ser ciclado dez mil vezes em uma corrente alta, o dispositivo reteve mais de 83% de sua capacidade original, indicando que os materiais eram estáveis e duráveis. O dispositivo final superou muitos sistemas de armazenamento de energia semelhantes em termos de densidade de energia, que é quanta potência ele pode conter, e densidade de potência, que é o quão rápido ele pode liberar essa potência. Ao combinar com sucesso um eletrodo positivo de ferrita de zinco dopada com lantânio e nanotubos de carbono hidrofílicos, os pesquisadores criaram um modelo para uma nova geração de supercapacitores que poderá, um dia, alimentar veículos elétricos e eletrônicos portáteis com maior velocidade e eficiência do que as tecnologias atuais permitem.