Ultracondensadores

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Ultracondensadores

InstantneaUltracondensadores

Energia

No concordo com o acordo ortogrfico

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

1

Engenheiros tomam as maravilhas da cincia, matemtica e natureza, e empacotam-nas de uma maneira especial com esperana e sonhos. para fazer um futuro melhor para todos.Os Engenheiros so como feiticeiros bons, com sabedoria e truques na manga, utilizando as foras da natureza para fazerem tarefas ou trabalhos especiais.

O que fazem os engenheiros?

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Componentes Electrnicos Amigos do Ambiente

Armazenamento de Energia

Iluminao LED

Distribuio

http://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitor

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3In case of tissue damage, regenerative capacity of lower animal is superior to Higher one.For example, its difficult for human to regenerate tissue if damaged

Ultracondensador: Armazenamento de Energia

Ultracondensadores: Segmentos de Mercado

Consumidor

Telecom

Indstria

Veculos

Renovveis

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Ultracondensadores

Os engenheiros da General Electric em experincias com dispositivos que utilizam elctrodos de carbono poroso observaram pela primeira vez o efeito EDLC em 1957. Eles acreditavam que a energia era armazenada nos poros do carbono e o dispositivo exibia uma capacitncia excepcionalmente alta", embora o mecanismo fosse desconhecido naquela poca .General Electric no deu seguimento a este trabalho. Em 1966, pesquisadores da Standard Oil de Ohio, desenvolveu a verso moderna dos dispositivos, depois de acidentalmente redescobrir o efeito enquanto estavam trabalhando em projectos experimentais de clulas de combustvel . O Seu projecto de clulas combustveis usava duas camadas de carvo activado, separadas por um isolante fino poroso , e este projecto de base mecnica, permanece a base de fabrico da maioria dos condensadores elctricos de dupla camada.A Standard Oil tambm no conseguiu comercializar a sua inveno. O licenciamento da tecnologia NEC, que finalmente obteve resultados com "supercondensadores", comercializados em 1978, para fornecer energia de emergncia para manter a memria de computadores.EDLC Electroquimical Double Layer Capacitor Histria:

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Um supercondensador ou ultracondensador um condensador electroqumico que tem uma densidade de energia invulgarmente elevada quando comparado com os condensadores comuns. Eles so de particular interesse em aplicaes automobilsticas, para veculos hbridos e como armazenamento suplementar para baterias de veculos elctricos..Uma das primeiras solues Electrnicas comerciais alimentados por um supercondensador nico descrito por "Single capacitor powers audio mixer" num artigo de Alexander Bell (EDN, March 14, 1997). Um circuito cuidadosamente concebido, que utilizava energia de micro-amplificadores e supercondensadores de grandeza na ordem dos farads (SuperCap ou DynaCap ) e podia funcionar por mais de 2 horas com uma nica carga. Tambm demonstrou a capacidade de ser carregado muito rapidamente (em cerca de dez segundos) em comparao com as horas necessrias para as tradicionais baterias recarregveis. Devido ao elevado nmero ciclos de carga-descarga do condensador (milhes ou mais em comparao com 200-1000 para baterias recarregveis mais comercialmente disponveis ), no havendo partes descartveis durante toda a vida operacional do dispositivo, o que o tornou numa soluo muito amiga do ambiente.O mercado se expandiu-se lentamente por uns tempos, mas avanando por volta de meados dos anos 1990 devido a vrios avanos na cincia de materiais e o refinamento dos sistemas existentes , levou a melhorar rapidamente o desempenho, e uma reduo igualmente rpida dos custos. Os primeiros ensaios de supercondensadores em aplicaes industriais foram realizadas para apoiar o fornecimento de energia para robs.UltracondensadoresHistria:

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A ideia de substituir as baterias tradicionais por conjuntos de condensadores e baterias, introduzida pelo, Dr. Alexander Bell em 2005, tornou-se muito importantes no conceito de procura de energias alternativas renovveis como armazenamento intermedirio de energia para alimentar uma variedade de dispositivos portteis elctricos e electrnicos (leitores MP3, rdios AM / FM, lanternas, telemveis, kits de emergncia, etc.) medida que a densidade de energia de supercondensadores ou ultracondensadores - estes dois termos podem ser usados indiferentemente, fazer uma ponte com as baterias, podendo esperar-se que, num futuro prximo da indstria automvel implementar ultracondensadores como um complemento para baterias qumicas UltracondensadoresA China, est experimentando uma nova forma de autocarro elctrico que funciona sem rede elctrica, utilizando a energia armazenada em grandes supercondensadores a bordo, que so rapidamente recarregados sempre que o autocarro pra em qualquer paragem. Alguns prottipos esto sendo testados em Xangai desde o incio de 2005. Em 2006, duas linhas de autocarros comerciais comearam a usar nibus com supercondensadores, um deles a rota 11 em Xangai. Outras empresas como a Siemens AG e a Cegelec esto investigando nesta rea.Histria:

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Os ultracondensadores so um buffer rpido de energia para sistemas avanados de energia qumica, tais como baterias de hidreto metlico de nquel e baterias de ies de ltio, oferecendo a oportunidade de um sistema verdadeiramente optimizado de energia. Esta apresentao apresenta uma retrospectiva acerca da evoluo dos condensadores e super/ultra condensadores, tendncias, aplicaes e futuro em aplicaes optimizadas de energia, especialmente em sistemas combinados com baterias.Ultracondensadores: IntroduoOs ultracondensadores esto se tornando amplamente aceites na industria de armazenamento de energia em ambos os casos; como independentes, e em combinao com pilhas/baterias. Aplicaes autnomas, como nicho, esto agora se expandindo rapidamente com os benefcios tcnicos e econmicos deste componente de alta densidade de potncia. Exemplos de combinao para continuar, proliferam principalmente no segmento de transportes com bateria elctrica, e elctrico, como autocarros e comboios citadinos.

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Ultracondensador: TerminologiasUltracondensadorSupercondensadorPseudocondensadorCondensadores HbridosTaxas muito altas de carga e descargaPequena degradao em centenas de milhares de ciclos.Boa reversibilidade Baixa toxicidade dos materiais utilizados. Eficincia do ciclo de alta (95% ou mais)Armazenamento de energia em ultracondensadores tem vrias vantagens em relao s baterias: Condensador electroqumicoCondensador de dupla camadaCondensador electroqumico de dupla camadaVantagensHoje em dia (2013) uma srie de diferentes nomes podem ser encontradas no mercado, pois os fabricantes tm usado nomenclaturas de forma indiscriminada e no consistente. Os termos de fabricantes de ultracondensadores de dupla camada pode ser: APowerCap, BestCap, BoostCap, CAP-XX, DLCAP, EVerCAP, DynaCap, Faradcap, GreenCap, Goldcap, HY-CAP, Kapton capacitor, Super capacitor, SuperCap, PAS Capacitor, PowerStor, PseudoCap, Ultracapacitor.Todos os supercondensadores nomeados tm parmetros eltricos muito especficos. A maioria deles no so intercambiveis em tudo, especialmente os tipos de densidades de energia mais elevados.

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Electrlito Meio que conduz cargasIes tomos com carga positiva ou negativa.Oxidao Qualquer reaco com perda de electres.Reduo Qualquer reaco com ganho de electres.nodo Terminal positivo (+) (Oxid. ocorre no Electrlito). Os electres so libertados por este elctrodo, para o electrlito internoCtodo Terminal negativo ( ) (Red. ocorre no Electrlito).Os electres so recolhidos por este elctrodo, do electrlito internoClula electroqumica Contm dois elctrodos (nodo e Ctodo) imersos num meio que conduz cargas.Diferena de potencial a fora ou energia fornecida (ou necessria) para mover os electres atravs de um elemento.Corrente o Fluxo de cargas atravs de um elemento.Catio - Quando um tomo perde electres e fica com carga positiva, isto com excesso de protes relativamente ao n de electres.Anio - Quando um tomo recebe electres, isto , fica com excesso de electres (carga negativa) relativamente ao n de protes.O anio relativamente ao tamanho, sempre maior do que o respectivo tomo neutro, que sempre maior que o respectivo catio.

Definies

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Condensadores PoliesterVcuo, Ar, Mica, Vidro. SilicioMisClasse IIX7RZ5UY5VX7SX8RClasse IP100NPON150N220PP FilmPET FilmPEN FilmPPS FilmPTFE FilmMetalizadosPapelMetalizadosMetalizadosElectrolticos AlumnioElectrolticos TntaloElectrolticos NbioNon-SolidSolid-MnO2Solid-PolymerNon-SolidSolid-MnO2Solid-PolymerNon-SolidSolid-MnO2Solid-PolymerHbridosClass 1Class 3Class 2Class 4Dupla Camada Pseudo

Famlias de CondensadoresCondensadores CermicosNo PolarizadosCondensadores ElectrolticosSuperCondensadoresPolarizadosCondensadores fixos para uso em equipamento Electrnicos

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Ultracondensadores Ocupam o espao entre as baterias e os condensadores vulgares

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A Falha de PotnciaOs ultra ou supercondensadores. Preenchem o vazio de potncia entre o tradicional condensador & as baterias, numa embalagem pequena e leve.^^Densidade de PotnciaDensidade de Energia > >Aplicaes para ultracondensadores

BateriasBateriasSubstituioBateriascomplementoCondensadoresSubstituioCondensadoresUltracondensadores vs Condensadore & Baterias

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ElectroestticosArMicaPelculaCermica

Electrolticos Alumnio TntaloElectroqumicos Carbono-carbono xido Metlico simtrico Carbono-assimtrico

+-C1-C2 >>C1

+

+-C2C1

ElectrolyteOxide on Metal Surface

++++++++++-------------Double layer charge storage ElectrolyteTipos de Condensadores

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page 114

Condensador

Muito rpidoCiclo de vida LongoBaixo nvel de energiaFiltro/Controlo de FrequnciaUltracondensador

Muito rpidoCiclo de vida LongoNvel de energia moderadoSistemas de distribuio de energia

BateriaLentoCurto ciclo de vidaNvel de energia elevadoSistemas de armazenamento de energiaTipos de Condensadores

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Os Ultracondensadores podem permitir aos PCs portreis e telemveis, de se carregarem num minuto. Ao contrrio das baterias que comeam a perder a sua capacidade de reter a carga depois de dois ou quatro anos (poucos milhares de ciclos de carga / descarga), os ultracondensadores tm centenas de milhares de ciclos de carga/descarga e ainda podem estar muito bons mesmo depois do dispositivo estar obsoleto .

Tipos de Condensadores

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Va

Va

Va

Vddaaaa

Cond.Cermica,Pelcula,Mica, etc.Cermica, Film, Mica(dielctrico)Armazenamento ElectrostticoCamada xido (dielctrico)Armazenamento ElectroestticoESRnegligencivelCond. Electrolticos de AI, Ta, Nb de polmero slidoCond. Electrolticos de electrlito liquido (Wet)Cond. de Camada DuplaPseudocondensadoresSupercondensadores (EDLCs)Camadas Helmholtz (dielctrico)Armazenamento ElectrostticoReaces Redox Armazenamento ElectroqumicoTipos de Condensadores

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C = rA/dMinimize(d)Maximize(A)ECDLSupercondensadores ou ultracondensadores so uma verso avanada dos condensadores normais, com a capacidade de combinar o armazenamento de energia elctrica de um condensador e de uma bateria, num dispositivo similar a um condensador.Preenchem a lacuna entre as baterias e condensadores convencionais tais como os condensadores eletrolticos em termos de energia, bem como potncia especfica.

CondensadorTipos de Condensadores

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++++++++

+++++

-----+-+--

510 ++++++-----+-+--+++++e-

e-

e-

e-

X-X-X-X-X-X-X-X-

CorrenteCorrenteCapacitncia de Camada dupla(Carbono activado)Dois Mecanismos bsicos de armazenamento de cargaCapacitncia devida separao de cargas no interface elctrodo/electrlito. Pseudocapacitncia(xidos metlicos & Polmeros condutores)Utiliza a transferncia de cargas. A Pseudocapacitncia advm de Reaces Faradaicas reversveis, que ocorrem na superfcie do elctrodo.Ultracondensadores/Pseudocondensadorese-

e-

e-

e-

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H

H

Asymmetric Double Layer CapacitorSymmetric Double Layer CapacitorElctrodos de Carbono altamente poroso(Activated Charcoal) Elctrodos de Carbono altamente poroso(Activated Charcoal) +Tipo Bateria

DielctricoPlacasCondensador ConvencionalC = f ( Splates ) 1 1 1 EC C1 C2=+

C1C2Tipos de Condensadores

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Um ultracondensador um dispositivo que armazena carga elctrica e que usa uma grande rea de superfcie de carbono, para fornecer uma alta densidade de energia, em relao aos convencionais condensadores.

ultracondensador4-4000F(Cerca de 1.000.000 vezes mais energia)Condensadores regulares1-1000F

Tipos de Condensadores

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Alta quantidade de energia (armazena uma quantidade grande de energia atravs de reaco qumica).Baixa potncia (liberta-a muito lentamente)Quantidade de energia moderada (armazena uma quantidade mdia de energia como electricidade esttica)alta potncia (liberta-a muito rapidamentePouca energia (armazena uma pequena quantidade de energia com electricidade esttica)Muito alta potncia (liberta-a muito rapidamente

Analogia do tanque de guaCondensador:Alta presso.Pequeno volume.Descarga rpida (Torneira grande).Bateria:Baixa pressoGrande volumeDescarga lenta(Torneira pequena) ultracondensador:Presso moderadaVolume moderadoDescarga moderada.( Torneira moderada)CondensadorUltracondensadorBateria

Tipos de Condensadores

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Armazenamento de Energia Qumica atravs dos ies resultantes de reaces qumicas reversveis nos elctrodos.Armazenamento de Energia Eletrosttica, atravs de ies que so atrados e mantidos nas superfcies carregadas de elctrodos porosos.

BateriaUltracondensadorUltracondensadores vs Baterias

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Ultracondensadores vs BateriasCarga/Descarga:

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Potncia vs EnergiaQual a diferena entre Potncia e energia?

Potncia * Tempo = Energia

Potncia

EnergiaPotncia: a cadncia do uso da energia.Energia: A capacidade de produzir trabalho (Joules ou Wh)Pouca energiaAlta Potncia Muita energiaBaixa Potncia

Ultracondensadores vs Baterias

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UltracondensadoresArmazenamento fsico de cargas elctricas.Maior densidade de potncia: rapidezMilhes de ciclos de Carga/Descarga. Sem Manuteno.Vasta gama de temperaturas de funcionamento (-30oC a +65oC)Ciclo eficiente superior a 95%.Baixa resistncia interna.

BateriasArmazenamento qumico de cargas elctricas.Menor densidade de potncia: lentidoMilhares de ciclos de Carga/Descarga. Com Manuteno.Gama de temperaturas de funcionamento mais limitada.

Ultracondensadores vs Baterias

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Densidade EnergticaTensoTemperatura OperacionalSegurana / EcologiaDurabilidadeDensidade de Potncia

Bateria

EDLC

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rea, A+ Q+_

Separao, de a constante dielctrica, o a constante dielctrica do ar.vo

Densidade de EnergiaEquaes FundamentaisC = eoA/d

Energia em funo da voltagem Vi a Vf

VfVi

DE

Voltagem

Energia E/Ad = o (V/d)2

E= C(Vi2-Vf2)

Energia Armazenada E= C V2

Carga na Placa Q= C V

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Elctrodo PositivoElctrodo NegativoCampo ElctricoEquaes Fundamentais

- Constante Dieltrica

- Permissividade do VcuoA - rea de superfcieD - Distncia entre elctrodosV - VoltagemESR Resistncia Srie equivalenteEsquema dos componentes essenciais de um condensador convencional Voltagem AplicadaC - A capacitncia proporcional rea da superfcie (A) do elctrodo.E - A energia proporcional capacitncia (C).

- A potncia mxima limitada pelas resistncias internas (ESR) do condensador.

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Equaes FundamentaisEnergia potencial armazenada num condensador

L+-rbra

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Componentes de armazenamento de EnergiaCondensador

Bateria

SimtricoPrimria

Secundria(recarregvel)

Electroesttico

Electroltico

Electroqumico

Electrlito Orgnico

ChumboacidoNiCdNMHLi-ion

Electrlito Aquoso

Assimtrico

Mais utilizado.

Em I&D

Ultracondensadores

Maior potencial de armazenamento

Electrlito Aquoso

Electrlito Orgnico

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UltracondensadoresOs Supercondensadores esto divididos, devido ao desenho dos seus elctrodos em trs famlias de condensadores diferentes:Condensadores de camada dupla (EDLC), so os condensadores electroqumicos no qual a capacitncia esttica de dupla camada com elctrodos de Carbono simtricos predomina significativamente e a percentagem de pseudo faradaica muito baixa.Pseudocondensadores so condensadores electroqumicos com pseudo faradaica predominante e a percentagem de capacitncia de dupla camada esttica muito baixa, com um elctrodo de Carbono e outro de xido de metal (assimtrico).Condensadores hbridos tm elctrodos especiais que usam tanto a dupla-camada, bem como uma camada pseudo. Estes condensadores incluem alguns novos desenvolvimentos em elctrodos especiais, i. e. os condensadores de ltio-on (LIC) tambm includos os Condensadores Assimtricos e Pseudocondensadores.

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Os Supercondensadores tambm so classificados com base no material elctrodo e do electrlito:Carbono de alta rea superficial Tipo de dupla camada eltrica (EDLC) Polmeros condutoresPseudocapacitncia xidos de metal Pseudocapacitncia Electrlito aquoso / no aquosoA grande capacidade dos supercondensadores devida a Densidade de energia relativamente elevada, que pode ser armazenada na eletroqumica de camada dupla.rea de alta superfcie No caso do carbono activado, a carga armazenada somente" na eletroqumica de camada duplaUltracondensadores

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MElectrodeElectrolyte

MElectrode

MElectrodeHelmholtz~78 para electrlito orgnico.d~ 0.2nm para molcula de solvente.C 340 F/cm2, C No dependente da voltagem.Modelo de SternMelhora o modelo de Gouy-Chapman mantendo a camada compacta de absoro de ies de Helmholtz, e a camada difusa de pontos de carga de Gouy-Chapman, mas modifica a situao para controlar fisicamente os ies.Conhecido como o modelo difuso. Funciona bem a baixos potenciais. Sobrevaloriza C para potenciais mais elevados. Gouy-Chapman Modelos da estrutura de dupla Camada do interface elctricoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)SCdl = dq/d(Dy)

M =8-

Electrolyte

SElectrolyteS= (19+)+(11-)

Helmholtz LayerDiffuse Layer

S1

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Modelos da estrutura de dupla Camada do interface elctrico

Solvente

1Camada compacta2

CatioAnioMolcula NeutraCamada Difusa GOUY-CHAPMAN

ExteriorInteriorCamada Helmholtz

Dhttp://electrochem.cwru.edu/encycl/art-c03-elchem-cap.htm

Caties Dissolvidos =32Anio especfico Absorvido

M, MetakPlane.M Metal

=6=

I, HelmholtzPlane.1 2, GOUY Plane, 2gua Normal =78.5Camada gua Primria=6Camada gua secundria=32Ed) Modelo de Graham e) Modelo de Bockris, Devanathan e Muller mostrando a presena e a orientao de dipolos solventes.Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)1/C = 1/CI + 1/CO1/C = 1/CI 1/C = dH2O/e

C= 5 x 8.85 x 10-12 F/m 2.8 x 10-10 m = 16 mF/cm2 Capacity for CarbonCDL = 20 F/cm2 with S = 1000 m2/gC = 20 x 10-6 F/cm2 x 1000 m2/g x 104 cm2/m2= 200 F/g

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Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)

ElectrlitoCatio solvatadoSeparadorElctrodo NegativoCamada Molecular de solvente polarizadoPlano Helmholtz Interior (IHP)Plano Helmholtz Interior (OHP)

Camada DifusaColector de correnteModelo BDM (Bockris, Devanathan, Muller)

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IHP Inner Helmholtz LayerOHP Outer Helmholtz LayerDiffuse layerSolvated ionsPeculiar adsorptive ions (Pseudocapacitance)Solvent molecule.Electrolyte.0d1d212

3

4456Modelo BDM (Bockris, Devanathan, Muller) 7ElectrodeAlm do armazenamento esttico convencional de energia eltrica num campo eltrico, existem mais dois princpios para armazenar energia eltrica num condensador. Esses princpios podem ser encontrados em condensadores chamados electroqumicos. Tambm conhecidos como condensadores elctricos de dupla camada (EDLC), ultracondensadores ou supercondensadores, que no tm, em contraste com os condensadores de pelcula, de cermica e dos condensadores eletrolticos, um dieltrico convencional. Capacitncia de dupla camada e pseudocapacitncia somam um valor de capacitncia comum intrnseca de um supercondensador.O valor da capacitncia de um condensador electroqumico determinado por dois princpios muito especiais de elevada capacidade de armazenamento que so apenas pertencentes a estes condensadores. Esses princpios so:Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)

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IHP que simbolizam o chamado plano de Helmholtz interior.OHP o chamado plano exterior de Helmholtz.Ilustrao da dupla camada elctrica entre a superfcie de xidos metlicos, e a soluo de revestimento, e os modos de adsoro de complexos de nquel. Modelos da estrutura de dupla Camada do interface elctricoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)

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d~1 nm

+ Q+_

Separao, dCondensadorUso de elctrodos de alta superfcie, para produzir altas capacidades ( F/cm3) Modelos da estrutura de dupla Camada do interface elctricoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)C A/d 5 a 50 mF/cm2

rea, AEnergia Armazenada E= C V2

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Electrlito

CarbonoElctrodo

CarbonoElctrodo

Carbono poroso

Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Modelos da estrutura de dupla Camada do interface elctricodupla Camada Separador poroso

Camada Helmholtz

ElctrodoElectrlitoSlido/LiquidoInterface

Centro Inico(Mdio)

Carbono ActivadoMacroporo(500)Mesoporo(500-20)Microporo(20-5)Sub-Microporo(5)io

Microestrutura

Poros

Catio solvatado

IHPOHPEsquema mostrando a habilidade dos caties solvatados para preencherem os poros nos elctrodos de carbono, e o modelo caracterstico da linha de transmisso RC.

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Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Conceito de Dupla CamadaDescoberto por HelmholtzC ~ 10 mF/cm2 no elctrodoCarga armazenada electrostaticamente(no quimicamente).Voltagem limitada pela potencial decomposio do electrlitoCapacitncia extremamente grande dos elctrodos de Carbono de alta superfcie (milhares de Farads).Baixa Voltagem por clula (1-3V).Altas taxas de Carga/Descarga.Baixo ndice de energia especfica.Ciclos de vida ilimitados.Circuito Equivalente

C+C-RelR+rx

R-rx

Construo de dupla camada elctrica

ElectrlitoIes doElectrlitoElctrodos

10-100 F/g 5 Materiais Mistura de xidos metlicos (RuO2 e IrO2, MnO2 e Li4Ti2O12) para condensadores simtricos. Polmeros (PET, PPy e PANi) para condensadores simtricos/assimtricos. 1000-2000m2/kg

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Voltagem (V)

Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Circuito EquivalenteCondensador carregado, distribuio da voltagem e circuito equivalenteAlm disso, tem havido pesquisas na definio do relacionamento entre o tamanho dos poros e a ESR em materiais dos elctrodos, determinao da ESR intrnseca de vrios eletrlitos. Como estes esforos de I & D e os progressos consequentes, devem permiti os supercondensadores atingirem densidades de potncia mais perto de seus limites tericos.ESR - Equivalent Series ResistanceSua ESR impede os supercondensadores de atingirem densidades de potncia mais prximas dos limites tericos. Assim, determinar a forma de reduzir a ESR, est-se tornando numa importante rea de I & D. Vrios mtodos para reduzir a ESR j foram desenvolvidos, incluindo o polimento da superfcie do colector de corrente, colagem qumica do elctrodo com o coletor de corrente, uso suspenses de pelcula fina coloidal...

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++__Circuito EquivalenteUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Capacitncia ~ Funo da espessura do elctrodo.Resistncia ~ Funo da espessura do elctrodo.Tempo de Resposta:=RC~ (Espessura do elctrodo)2

Muito diferente de outros tipos de condensadores.Devido ao uso de materiais de elctrodos porosos (tempo constante mltipla).Frequncia auto-ressonante tipicamente 50 nm

Funcionamento: Carvo activadoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)

Solvents

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International EcoEnergy Clusters Meeting | 12.05.2010 |CarbonoCarbono

Separador Poroso

dMacroporo(500) Mesoporo(500-20) Microporo(20-5) SubMicroporo

d5-10 ElectrlitoMdia do centro inico

ElctrodoSlido-Lquido Interface

Canada de Helmholtz (alguns Angstroms)

A = 1000 ou mais m2/gD = Angstroms

Partculas carregadasGrande rea de superfcieC = Ao/d P de Carbono (activated charcoal)

Funcionamento: Carvo activadoUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)

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1.Terminals. 2.Safety vent. 3.Sealing disc. 4.Aluminum can. 5.Positive pole. 6.Separator. 7.Carbon electrode. 8.Collector. 9.Carbon electrode. 10.Negative pole

Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Estrutura Cilndrica

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Folha de AlumnioElctrodo PositivoSeparadorFolha de AlumnioElectrlitoElctrodo NegativoElctrodos (de Carbono Activado)Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Estrutura Cilndrica

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Carbono Poroso

Multi -LayersSeparador

Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Estrutura Prismtica

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Alta capacidade especfica extraordinria ~ 100 F / g.Muito baixo $ / J comparado com condensadores convencionais.Baixa tenso por clula, ~ 1-3 V.Comportamento no-ideal - tempo de resposta ~ 1 s.Caro, em termos de energia, em comparao com as baterias.Muito potente, quando comparado com baterias.Vida operacional e ciclo de vida podem ser projetados para exceder os requisitos de aplicao.I-43Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC) Sumrio da Caractersticas dos EDLCs

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

Source: Prof. Katsuhiko Naoi, Institute of Symbiotic Science and Technology, Tokyo University of Agriculture and Technology,Recent Advances in Capacitors and Hybrid Power Sources in Japan, presented to DOE Basic Energy Sciences Wkshp, 3-4 March 2007 O custo de ultracondensador dominado pelo custo do carbono.

Matria-prima Cascas de Coco =>O carbono o direccionador de custos: Base de Resina - de alta pureza, os custos elevados. base de Produto naturais - (coco, madeira, carvo, turfa, etc) menor custo, maiores impurezas.

Moagem Activao P de Carbono Activado

Fabricao do Elctrodo Revestimento/ Rolling / Amassar / Colar

Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Tecnologias de Elctrodos

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Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

Tecnologias de ElctrodosClass I Materiais de Carbono de alta rea de SuperfcieClass II xidos Metlicos de Transio.Pseudocondensadores.Elctrodos de Novas tecnologiasNovos Materiais base de Carbono.Condensadores Assimtricos.Class I Materiais de Carbono de rea de SuperfcieTipicamente base de Carbono activado.Alta densidade de potncia.500.000 a 1.000.000 de ciclos.Cerca de 2,7V por clula.O s supercondensadores comerciais mais comuns.

Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)

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Novos Tipos de Metais base de Carbono de alta rea de superfcie:NANOTUBOS DE CARBONO (CNTs)

Alta rea de superfcie acessvel.Maior condutibilidade do que o Carbono Activado (AC)Maior densidade de potncia do que AC.Potencialmente mais caro.

CNTsTecnologias de ElctrodosUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)

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www.answers.com/topic/capacitorUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)Materiais : Desafios Como melhorar a capacidade especfica gravimtrica e volumtrica, sem comprometer o tempo de resposta?Sero as configuraes assimtricas (por exemplo ctodo da bateria / nodo condensador) viveis com o compromisso entre a diminuio da vida e aumento da densidade de energia?Podem as alteraes do factor de forma e de embalagem aumentar a densidade da energia e de potncia? Podemos colocar clulas mltiplas juntas num pacote simples?Como podemos melhorar as propriedades do colector de corrente (resistncia de contato, resistncia corroso, etc)?

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Ser que os Nanotubos de carbono podem oferecer uma alta capacitncia especfica e de alta potncia?

Ultracondensador de Dupla Camada (EDLC)Materiais : Desafios Qual o papel dos grupos funcionais de superfcie na determinao da capacitncia especfica?Como que arquitetura de poros slidos e o arranjo atmico afetam o comportamento de alta densidade de corrente actual do carbono? Podemos projetar isso?Qual a relao entre o tamanho do io do electrlito e tamanho de poros? Ser que a mesma dependncia pode ser observada para anies e caties?

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lem.ch.unito.it/didattica/infochimica/Liquidi%20Ionici/Composition.htmlUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)

Existem electrlitos orgnicos com os benefcios de acetonitrilo, sem os problemas de segurana?Como podemos explorar lquidos inicos para melhorar a segurana, a janela de temperatura, janela eletroqumica, etc?Que efeito que os anies e caties IL tm individualmente em vrias propriedades (viscosidade, peneiramento, tamanho dos poros, desempenho, etc)?E sobre IL / misturas orgnicas? Electrlitos polimricos? IL / polmero compsitos? Outras misturas / compsitos?Electrlitos: Desafios

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Ultracondensadores Tecnologias de Elctrodos: Condensadores Simtricos/Assimtricos

Basic Electrical Model:Symmetric Electric Double Layer Capacitor (EDLC)C1C2

Electrical Model:Asymmetric Electric Double Layer Capacitor C1C2Modelo de Condensador Assimtrico:Substitui o Elctrodo Positivo de Carbono por uma elctrodo tipo bateria.Actualmente, existem duas variaes comuns do CE, supercondensadores, ou ultracondensadores utilizados para o arranque de motores ou para aplicaes de alto impulso de energia. O desenho Bsico simtrico e o segundo desenho assimtrico. Um ultracondensador simtrico utiliza os mesmos materiais para cada elctrodo, um separador de no condutor, e um electrlito. Um supercondensador assimtrico usa um elctrodo de carbono nico em conjunto com um elctrodo adicional de um material diferente, um separador de no condutor, e um electrlito aquoso.

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+++++-----ElctrodoElectrlito

+

ElctrodoElectrlitoM+nM+n+1

-

CondensadoresElectroqumicos

Condensador Elq Dupla Camada

Non-Faradaica(sem transferncia de cargas)

PseudocondensadoresPseudocondensadoresH dois mecanismos diferentes de armazenamento de carga: atravs de eletroqumica de camada dupla capacitncia (EDLC) -(A) ou com base em pseudocapacitncia de reaes qumicas (B).

PseudocapacitnciaPseudocapacitnciaTransferncia de cargas atravs de reaces faradaicas na superfcie do elctrodo e o electrlito.

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74

74

H

Asymmetric Double Layer CapacitorSymmetric Double Layer CapacitorElctrodos de Carbono altamente poroso(activated Charcoal) Elctrodos de Carbono altamente poroso(activated Charcoal) +Tipo Bateria 1 1 1 t C1 C2=+

EDLCPseudoPseudocondensadoresEDLCs vs PseudosC1C2C1 = C2 = CCtotal = CVoltagem de C=0,8V=VEs = CV2 =(C)V2 =CV2C2C1Ctotal = 2CV Operacional ~1.6 V = 2 VEa = (2C)(2V)2 = 4CV2Ea=16 * Es!

H

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Dupla Camada+-----

+++++

_

Electrlito

Q

Limite inferiorLimite superiorV+-

Q

Limite inferiorLimite SuperiorV+-

SimtricoAssimtricoPseudocondensadoresSimtricos vs AssimtricosDupla camada

++++

Electrlito_+

Elctrodo bateriaProcesso faradaico ou outro

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http://www.koldban.com/What_is_KAPower_s/35.htmPseudocondensadoresSimtricos vs Assimtricos

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+-

e-AElectrolyte

H+ or Li+*Zheng, J.P., Jow, T.R., J. Power Sources 62 (1996) 155PseudocondensadoresTecnologiaA carga transferida para a superfcie, ou no volume prximo da superfcie, do elctrodo, por meio de adsoro, a reaco redox e intercalao de ies entre o electrlito e o metal do elctrodo.Os Pseudocondensadores podem alcanar capacidades especficas e densidades energticas maiores do que os EDLCs.Exemplo: Hydrous RuO2 (700+ F/g)*

Nos EDLCs, dois condensadores simtricas so ligadas em srie e da capacitncia total reduzida para metade.Num pseudocondensador, existem duas reaces bsicas, na clula electroqumica . Ambas ocorrem na interface entre um condutor e um eletrlito, e ambas beneficiam da muito elevada rea de superfcie especfica do elctrodo.O primeiro mecanismo, designado por separao de cargas, no faradaico, a base de funcionamento dos EDLCs.A segunda, reaco referida geralmente como uma oxidao /reao de reduo devido mecanismo faradaico.

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Condensadores assimtricos tm uma maior densidade de energia do que sua contraparte simtrica devido ao aumento da capacidade e voltagens mais altas de clulas operacionais (E = CV2).Symmetric Double Layer Capacitor (EDLCs)Composto por dois Elctrodos de Carbono altamente poroso de capacitncia igual (CC). Capacitncia total do dispositivo igual a CC:

Asymmetric Double Layer Capacitor (Pseudocondensadores)

Elctrodo Bateria (BC), com uma capacidade muito maior, em volume muito menor do que Elctrodo Condensador (CC).Capacitncia total do dispositivo igual ao CC:

PseudocondensadoresTecnologia

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PseudocondensadoresCombina a tecnologia de baterias e do condensador, e ir armazenar aproximadamente duas vezes a energia de um condensador tpico de dupla camada elctrica (EDLC) no mesmo tamanho e peso, a um custo menor por unidade de energia.Os Pseudo-capacitores (!) so assimtricos no sentido de que uma das duas camadas de elctrodos um elctrodo de condensador base de carbono, enquanto que o segundo elctrodo fabricado a partir de xidos de metais de transio, anlogos aos utilizados em baterias secundrias. Os mecanismos de armazenamento so reversveis e podem fazer dezenas de milhares de ciclos de carga/descarga.

Oxido MetlicoCarbono ActivadoM+Electrlito

Elctrodo Positivo: Reaco Faradaica como nas bateriasIntegrao e desintegrao do catio.Descarga de baixa profundidade Boa estabilidadeElctrodo Negativo: Fenmeno de Dupla Camada.Carbono activado de alta rea superficial.Grande performance de potnciaTecnologiaO EDLC armazena a sua energia electrostaticamente, enquanto que os Pseudocondensadores tambm armazenam energia atravs de uma reao qumica em que ocorre a transferncia de carga fardica entre o eletrlito e o elctrodo.

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Tecnologias de ElctrodosClass II xidos de Metais de Transio.Como funcionam os PseudocondensadoresAs cargas elctricas so armazenadas na superfcie dos elctrodos por reaces faradaicas.Tipicamente feitos de xidos de Metais de transioMetais de Transio.

Pseudocondensadores

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RutnioClass II Tipos de Metais de Transio: Dixido de RutnioMuita alta capacitncia.Cerca de 10.000 ciclos carga/descarga.Muito mais caro do que o Carbono.Baixa voltagem ( tipic 1V Window).Electrlito: cido sulfrico comum.

O rutnio (latim Ruthenia, que significa "Rssia") um elemento qumico de smbolo Ru de nmero atmico 44 (44 protes e 44 Electres) e de massa atmica igual a 101 u. temperatura ambiente, o Rutnio encontra-se no estado slido. um elemento da famlia das platinas (8 ou 8b) da Tabela peridica dos elementos. um metal de transio, raro, encontrado normalmente em minas de platina. empregado como catalisador e em ligas metlicas de alta resistncia com platina ou paldio. O rutnio foi descoberto por Karl Klaus em 1844.

Tecnologias de ElctrodosUltracondensador de Dupla Camada (EDLC)

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Pseudocondensadores: A reaco redox ocorre na superfcie do material activo (xidos metlicos (RuO2, Fe3O4, MnO2), polmeros condutores (polianilina, polipirrole, politiofeno, etc.)xidos Metlicos: Capac. 1300 F/g (RuO2) Voltagem Nominal voltage 1.2 VPolmeros condutores: Capac. 30 40 mAh/gVoltagem Nominal 1.0 VInternational EcoEnergy Clusters Meeting | 12.05.2010 |

PseudocondensadoresTecnologias de Elctrodos: Materiais

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H. Kim, B. Popov, J. Electrochemical Soc. 150 (2003) 1153

CarbonoRuO2H2SO4IMPseudocondensadoresDesafios: Materiais para Elctrodos: xidos Metlicos e polmeros condutoresExistem materiais que exibam densidade de energia e de potncia melhor do que RuO2?Como que eles interagem com o eletrlito? So os metais de transio no-xidos, materiais viveis para supercondensadores? Como pode a estabilidade qumica ser melhorada?Como podemos explorar pares de reagentes orgnicos para melhorar a densidade energia / potncia?Pode ser adicionada pseudocapacitncia atravs de modificao qumica ou eletroqumica, no EDLC, para aumentar a capacidade?

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PseudocondensadoresDesafios: Materiais para Elctrodos:

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PseudocondensadoresVantagens/Desvantagens dos Pseudocondensadores: Elevada rea superficial e reaes faradaicas rpidos permitem densidades de energia mais elevadas do que nos EDLCs . O xido de rutnio hidratado pode alcanar capacitncias extraordinrias. O dobro da capacidade de elctrodos de carbono de um EDLC simtrico.Tenso de operao maior do que o dispositivo simtrico.O elctrodo de bateria fisicamente muito menor do que o elctrodo de carbono -Isso permite mais espao para o elctrodo de carbono, proporcionando maior capacidade.Aumento capacitncia a estados elevados de carga.Tolerante a condies de sobretenso.Autoequilbrio de tenso em srie.O ciclo de vida dependente da capacidade de assimetria dos dois elctrodos.Tempos de resposta tpicos de 2 a 100 segundos.Baixos custos de fabricao e embalagem, e os uma vez que a secagem de carbono e de embalagem hermtica desnecessrias

Vantagens:

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Ciclo de vida pode ser limitado por estresse mecnico causado durante as reaes de oxidao-reduo.Elctrodos de polmeros condutores com carga negativa no so muito eficientes.Os melhores elctrodos de xidos metlicos so muito caros e requerem electrlitos aquosos, o que significa menor tensoNeste momento, a maioria dos condensadores assimtricas utiliza eletrlitos aquosos, que so limitados pela tenso de gaseificao da gua (entre 1.3V e 1.7V por clula).EDLCs simtricos usando eletrlitos orgnicos podem atingir tenses muito elevadas (at 2.7V por clula)PseudocondensadoresVantagens/Desvantagens dos Pseudocondensadores: Desvantagens:

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GrandezaValorUnidadeMassa especfica do slido (20C)535kg/m3Ponto de fuso180,54CCalor de fuso3,0kJ/molPonto de ebulio1342CCalor de vaporizao147,1kJ/molTemperatura crtica2950CElectronegatividade0,98PaulingResistividade elctrica9,410-8 mCondutividade trmica85W/(mC)Calor especfico3573J/(kgC)Coeficiente de expanso trmica4,610-5 (1/C)Mdulo de elasticidade4,9GPa

o metal de menor massa especfica, cerca da metade da massa especfica da gua. A superfcie recm cortada tem aspecto de prata, mas escurece rapidamente para cinza. Deve ser conservado em leo para prevenir isso.

O ltio metlico corrosivo e no deve entrar em contacto com a pele. Exposto ao ar, bastante inflamvel, com chamas de difcil extino. o nico metal que reage com nitrognio temperatura ambiente. Baterias contendo ltio podem eventualmente explodir se rapidamente descarregadas (curto-circuito). Mas a maioria dos dispositivos prticos dispe de proteco contra curtos. Ltio Ultracondensadores Hbridos: LIC

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Source : Usine NouvelleLtio : Situao Produo de Ltio em 2008: 27400 tonsPortugal j o quinto maior produtor mundial de ltio.Stocks de Ltio: 11 milhes tonsProdutores : 3 grandes companhias + Companhias estatais ChinesasUltracondensadores Hbridos: LIC

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Para aumentar a densidade de energia dos Condensadores Electroqumicos de Dupla Camada (EDLCs), embora mantendo a sua capacidade de alta potncia e ciclo de vida longo, os esforos agora se concentram no desenvolvimento de novos dispositivos de armazenamento de energia conhecidos como condensadores assimtricos de xidos de metal (Rutnio ou Ltio) e Carbono, conhecidos por Pseudocondensadores, condensadores assimtricos ou hbridos, e que no caso seguinte, de ies de Ltio, conhecidos por LIC (Lithium-Ion Capacitors) . Estes dispositivos combinam elctrodos que sofrem reaces faradaicas (bateria) com aqueles que apresentam um comportamento capacitivo (alta rea de superfcie de carbono.

Bateria de Ies de LtioContm dois elctrodos de material faradaico.Electrochemical Double Layer CapacitorContm dois elctrodos de material no faradaico.Ultracondensadores Hbridos: LICCondensadores Hbridos

10-05-2013Por : Lus Timteon

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90

So uma classe de condensadores assimtricos que utiliza uma bateria como elctrodo negativo que intercala ies de ltio. Condensadores assimtricos de Ltio/Titnio nanoestruturados (Li4Ti5O12), tm demonstrado excelente ciclo de vida (1 milho de ciclos-G. Amatucci). Esta capacidade de recarga excepcionalmente alta devido estrutura spinlica do Li4Ti5O12. Ele exibe uma alterao de volume 95%. A eficincia combinada do Conversor mais ultraconds, deve ser >92%. Carga combinada relativa: 0.4PML para 1s, 0.25PML para 2s, 0.1PML para 8s.Os fluxos de energia dos ultracondensadores so controlados atravs dos sistema inteligente de controlo e gesto de energia para minimizar os ciclos C/D das baterias.

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Battery Machenical strcture

Ilustrao do sistema hibrido de Ies de Ltio para EVsUltracondensadores: Sistemas hbridos

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AFS Trinity xh-150 Plug-in Hybrid Electric Vehicle

http://www.youtube.com/watch?v=Fk7xbcnzxks&feature=player_embedded#at=26Ilustrao do sistema hibrido de Ies de Ltio para EVsUltracondensadores: Sistemas hbridos

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Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

http://ada.communityisoft.com/default.aspColectores de Corrente

MduloSeparadorElectrlito,Lquidos inicos,Gel,Polmeros

nodoCtodo

Lquidos inicos

Malha de PolmerosOs actuais ultracaps sofrem de desempenho limitado, segurana pobre, e de curto ciclo de vida. Estas limitaes so devidas s propriedades dos materiais actuais dos elctrodos e do electrlito, que impedem a utilizao mais generalizada dos ultracaps no domnio da electrnica moderna. Componentes inflamveis e corrosivos tambm criam preocupaes de segurana e posterior reciclagem eliminao dos ultracaps existentes.A combinao das propriedades nicas dos nanotubos de carbono (CNT) com os elctrodos de electrlitos lquidos inicos tem o potencial de revolucionar a tecnologia ultracaps. Os ultracaps ADA usam recursos avanados de energia e densidade de potncia que excedem os padres actuais de Energia . Esta tecnologia utiliza ultracaps seguros, componentes estveis e exibem um excelente ciclo de vida.Ultracondensadores: Prximo Passo?

10-05-2013Por : Lus Timteon

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http://techon.nikkeibp.co.jp/article/HONSHI/20061122/124184/

Condensadores podem ser divididos em design simtrico, que utilizam o mesmo tipo de material base de carbono, tanto para o nodo como para o ctodo, e de design assimtrico, os que utilizam materiais diferentes. Densidade de energia do condensador expressa como 1/2CV2, de modo que para aumentar a densidade de energia, pode-se utilizar um electrlito diferente para elevar a tenso (V), ou alterando o material do elctrodo para um com maior capacidade electrosttica (C). A razo pela qual muitas firmas fabricantes usam um electrlito com ies de Ltio que condensadores convencionais com electrlitos de solventes orgnicos s podem atingir cerca de 3V, enquanto que a utilizao dos ies Li permite que a tenso seja aumentada para 4.2V. Condensadores indicados com linhas tracejadas usam electrlito de conduo de ies de ltio, e, por conseguinte, tm uma estrutura muito semelhante das baterias recarregveis de ies de ltio.Ultracondensadores: Prximo Passo?

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

Absolutamente necessrio: compreender a estrutura dos sais solventes e as suas propriedades fsicas.Performance Criar uma linha de relao entre as performance do dispositivo e as interaces moleculares/volume dos mesmos. Desenvolver novos materiais e arquitecturas, que impulsionaro, num prximo futuro, a energia e potncia dos EDLCs.Elctrodos de Materiais com controlo de porosidade e rea de superfcie em contacto directo e geometrias ordenadas na superfcie dos colectores de corrente.Ultracondensadores: Prximo Passo?

Excerpted from: Bruce Dunn, Yury Gogotri, Plenary Closing Session Remarks, DOE Basic Research Needs Workshop on Electrical Energy Storage, Washington, D.C., 4 April 2007

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

e-

e-

e-

Schematic diagrams showing the presence of a thin oxide layer over nanoparticle VN generated by a two-step ammonolysis approach, shown to exhibit very high capacitances of up to 1340 F/g.(See Ref. 42. Reproduced with permission from Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.)

Ultracondensadores: Prximo Passo?

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

Com a gravao qumica de elctrodos de pelculas de carbono monoltico num substrato condutor de carboneto de titnio, os cientistas foram capazes de criar micro-supercondensadores apresentando uma densidade de armazenamento de energia que foi pelo menos o dobro dos melhores supercondensadores agora disponveis. Quando utilizado em combinao com microbaterias, as densidades de energia e tempos de ciclo desses micro-supercondensadores, deve aumentar substancialmente o desempenho e a longevidade dos dispositivos portteis de armazenamento de energia elctrica.A tcnica em que a alta temperatura de clorao usada para gravar elctrodos de carbono numa pelcula de carboneto de titnio, tem potencial para fazer um supercondensador compatvel com a fabricao de um microchip de silcio e com uma alta densidade de potncia e ciclo de vida praticamente infinito.O prximo passo, de reduzir o tamanho dos elctrodos e melhorar o processo de eroso seca (dry etching) para remover tomos de metais de carbonetos metlicos para tornar o processo ainda mais compatvel com a tecnologia de microfabricao comercialEst-se trabalhando no desenvolvimento de novos electrlitos, que podem ajudar a aumentar a densidade de armazenamento de energia dos ultracondensadores. Tambm se est investigando os factores que controlam a janela de tenso utilizvel , dos diferentes electrlitos num elctrodo de carbono.Os principais objectivos so aumentar a energia armazenada para nveis mais prximos das baterias, e preservar os milhes de ciclos de carga/descarga e os tempos de recarga em menos de cinco minutos nestes dispositivos. Isso o que os utilizadores finais de dispositivos portteis de armazenamento de energia realmente desejam.Ultracondensadores: Prximo Passo?Microfabricao

10-05-2013Por : Lus Timteon

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Si wafer

Si wafer

Si waferSputtered TiC film

Si waferTiC-CDC film

Utilizando tcnicas de microfabricao para produzir nossos supercondensadores, evitamos muitas das armadilhas do mtodo tradicional, ou seja maus contactos entre as partculas electro-ativas no elctrodo, grandes espaos vazios entre as partculas, e contactos fracos entre os materiais eletro-ativos e os circuitos externos. Ultracondensadores: Prximo Passo?Microfabricao

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

A nanobateria, leve, ultra fina, completamente flexvel e voltada para atender s mais difceis exigncias de projecto e de energia dos aparelhos de amanh, tais como equipamentos mdicos implantveis, e veculos de transporte, que tanto pode funcionar como uma bateria ou como um ultracondensador.Ele podem ser feito numa variedade de tamanhos, de selo postal ou uma pgina de jornal. O seu peso leve e de baixo custo tornam-se atraentes para electrnicos portteis, aeronaves, automveis e brinquedos, enquanto que a sua capacidade para utilizar electrlitos do sangue o tornam potencialmente til para os dispositivos mdicos tais como pacemakers, e pode funcionar desde temperaturas de -70 a +150oC.A semelhana com o papel no acidental: mais de 90% do dispositivo constitudo de celulose, a mesma que utilizada em papel de jornal, folhas soltas, sacos do almoo, e quase qualquer outro tipo de papel.

Flexible Energy Storage Devices Based on Nanocomposite Paper Published August 13, 2007Em Agosto de 2007, os pesquisadores combinaram uma bateria de papel biodegradvel com nanotubos de carbono alinhados, projectada para funcionar tanto como uma bateria de ltio ou um supercondensador (bacitor) . O dispositivo emprega um lquido inico, essencialmente um sal lquido, como o electrlito. As folhas de papel podem ser rolados, torcidas, dobradas ou cortadas, sem perda de integridade ou eficcia, ou empilhadas, como o papel comum (ou uma pilha voltaica), para aumentar a produo total. Ultracondensadores: Prximo Passo?Microfabricao : Bacitor

10-05-2013Por : Lus Timteon

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Uma nova famlia de electrlitos inicos lquidos no inflamveis e termo-estvei s j foram desenvolvidos. Tais electrlitos permitir o desempenho de supercondensadores a temperaturas superiores a 150oC. Neste momento, os fabricantes investigam e testam dispositivos supercondensadores, de modo a trazerem com segurana estes dispositivos para a industria de automveis elctricos (EVs).A combinao das propriedades originais de Nanotubos de Carbono (CNT) com os elctrodos de electrlitos lquidos inicos tem o potencial de revolucionar a tecnologia dos ultracondensadores. Esta tecnologia utiliza ultracondensador seguro, estvel e ciclo de vida excelente, e de elevado desempenho, prevendo bons desenvolvimentos num, futuro prximo.Com o carvo activado utilizado no supercondensador convencional, uma fraco significativa da superfcie do elctrodo no est disponvel para armazenamento. Com um nanotubo de elctrodo, os espaos podem ser adaptados ao tamanho e de 1 micro a 1 nano, consequentemente, a capacidade pode ser aumentada consideravelmente.A tecnologia est prevista para ser escalvel comercialmente sem perder as propriedades nicas e valiosas desses nanomateriais.

Ultracondensadores: Prximo Passo?Nanotubos (CNTs)

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

Os nanotubos de carbono e certos polmeros condutores, ou aerogis de carbono, so elementos prticos para supercondensadores. Os nanotubos de carbono tm excelentes propriedades nanoporosas, cedendo pequenos espaos para o polmero de se alojar no tubo e agir como um dielctrico. Alguns polmeros (ex. polyacenes) tm um mecanismo de armazenamento redox (reduo-oxidao), juntamente com uma elevada rea

Condensador Normal

Ultracondensador de Carvo Activado

Ultracondensador de Nanotubos

Ultracondensadores: Prximo Passo?Nanotubos (CNTs)

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

Condensadores armazenam cargas elctricas na superfcie dos condutores. separados por isoladores. Usando nanotubos para os condutores, aumenta-se a rea de superfcie, de modo que mais energia pode ser armazenada Array de Nanotubos Isolador Cargas Positivas Cargas NegativasEmily Cooper Ultracondensadores: Prximo Passo?Nanotubos (CNTs)

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

Supercap

CarbonoSeparador

Cryogels de Carbono (CCs) produzidos a partir da poli condensao de resorcinol formaldedo, transformados por secagem por congelao e em seguida com a pirlise N2, so materiais precursores excelentes para serem utilizados como elctrodos em supercondensadores elctricos de dupla camada. Sua nanoestrutura sintonizvel, elevada rea superficial (AS), e uma boa condutividade, torna-os apropriados para essa aplicao.

Um estudo, um grupo de cryogels carbono, foi sintetizado utilizando resorcinol formaldedo como precursores, e alterados atravs de catlise e activao, para obter distribuies variadas de nanoestruturas e de tamanhos de poros.Ultracondensadores: Prximo Passo?Cryogels

10-05-2013Por : Lus Timteon

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Ultracondensadores: Prximo Passo?Aerogis

Aerogis so os melhores isoladores em todo o mundo. Compostos de at 99,8% de ar e pesando apenas trs vezes mais do que o ar, so os slidos mais leves e de menor densidade do planeta. Aerogis so tambm extremamente resistentes ao peso e ao calor, suportando 2.000 vezes seu prprio peso e tendo um ponto de fuso de 1200 0C. Com uma infinidade de propriedades benficas para uma ampla gama de aplicaes de energias alternativas, os aerogis devem ter muitos desenvolvimentos e diversificao de aplicaes nos prximos anos.Os Aerogis no so realmente geles de modo algum, so materiais rgidos, slidos, secos. semelhantes a gel, mas onde o lquido interno substitudo por ar. Aerogeles so to porosos e leves que so chamados s vezes" fumaa slida "ou" fumaa azul '

10-05-2013Por : Lus Timteon

Mobilidade Elctrica : Ultracondensadores

Ultracondensadores: Prximo Passo?AerogisOs aerogis so produzidos por extraco do componente lquido de um gel, atravs de secagem supercrtica. Isto permite que o lquido ao ser lentamente retirado, sem causar a matriz slida do gel do colapso, da aco capilar, como aconteceria com evaporao convencional. Os primeiros aerogis foram produzidos a partir de gis de slica. O aerogel foi criado pela primeira vez por Samuel Stephens Kistler em 1937 quando assumiu e testou que era possvel secar um "gel" (uma suspenso coloidal que consiste de um lquido em fase dispersa, numa fase slida contnua), a fim de obter apenas a estrutura slida preservando, inalterada, a sua prpria forma e tamanho originais. Os Aerogis de carbono, desenvolvidos na dcada de 1980, so feitos de partculas extremamente pequenas de carbono. O carbono eletricamente condutivo (em forma de grafite, o carbono um elctrodo comum), e porque os aerogis so quase inteiramente composto por espao vazio, o carbono que sobra, tem uma rea superficial extremamente elevada. Quando usado como um elctrodo, um aerogel de carbono em forma de folha, ir transformar-se num condensador

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Supercondensadores tambm podem ser feitos de aerogel de carbono. Aerogel de Carbono um material nico, fornecendo rea superficial extremamente elevada de cerca de 400-1000 m2 / g. Pequenos supercondensadores de aerogel esto sendo usados como baterias de reserva em microelectrnica, mas as aplicaes em veculos elctricos no vo tardarO aerogel no como espumas convencionais, mas um material poroso com microporosidade extrema numa escala de micros. composto de caractersticas individuais apenas alguns manmetros de tamanho. Estes so ligados em uma estrutura altamente porosa dendrtica.Aerogis de carbono so materiais porosos nicos, com distribuio e tamanho controlvel de poros, reas de superfcie de alta e baixa resistividade elctrica. Eles so preparados por pirlise de Aerogis de RF numa atmosfera inerte. Aerogis de carbono so esperados para ser usados como isoladores fotnicos e trmicos, em condensadores elctricos de dupla camada, embalagens cromatogrficos, absorventes, sensores, filtros, meios de armazenamento de gs e de suportes de catalisador.

Ultracondensadores: Prximo Passo?Aerogis

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Elctrodo Negativo

Elctrodo PositivoA combinao de elevada porosidade e poros extremamente pequenos, fornece aerogis com as suas propriedades extremas. A densidade do aerogel pode ser to baixa quanto 3 mg/cm3, apenas um factor 3 maior do que a do ar. Isso nos leva diretamente aos ndices de refrao, to baixo quanto 1,01. Alm disso, porque o slido conduz o calor apenas ao longo das cadeias extremamente estreitas, a condutividade trmica pode ser to baixa quanto ou inferior, do ar.

gua PuraAerogel de Carbono

gua SalgadaUltracondensadores: Prximo Passo?AerogisDessalinizao Capacitiva de gua salgada(The Industrial Physicist; Oct. - Nov. 2004)

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Ultracondensadores: Prximo Passo?AerogisEDLCs de aerogel

Dupla Camada Elctrica (EDLC)

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Electrlito

Elctrodo de Aerogel de Carbono

Separador

CDLRSCDLVElectrlito

Poros do Aerogel de Carbono

Separador de PorosTeste FinalManga e MarcasElectrlitoInvlucroEnrolamento e terminais Condensador de AerogelUltracondensadores: Prximo Passo?AerogisOs aerogis de carbono so formados a partir de uma rede contnua de nanopartculas de carbono condutoras com mesoporos intercalados. Devido a esta estrutura contnua e a sua capacidade para ligar quimicamente ao colector de corrente, os aerogis de carbono no requerem a aplicao de um agente de ligao adesiva adicional. Como no tem agente de ligao, os condensadores de aerogis de carbono tm um ESR inferior aos de carves activados. Esta ESR reduzida, o que produz maior potncia, a principal rea de interesse na pesquisa de supercondensadores envolvendo aerogis de carbono.

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Vantagens dos Condensadores de Aerogel:O condensador de Aerogel, tem uma distribuio uniforme do tamanho de poro, rea de superfcie utilizvel elevada, e elevada condutividade elctrica. Para uma dada capacitncia, entre 2000 a 5000 vezes menor do que os condensadores eletrolticos. Corrente de fuga ultra baixa (pode conter uma carga durante vrias semanas).ESR muito baixa, para alta potncia e baixas perdas durante a operao.Pode ser recarregado centenas de milhares de vezes, com taxas de carga/descarga muito rpidas, ao contrrio das baterias que se detioram com muito menor nmero de ciclos de carga/descarga.Larga faixa de temperatura operacional.Tamanho pequeno.Muito boa capacidade de manipulao de impulsos de corrente.Os Condensadores de aerogel de carbono tm alcanado 325 J / g (90 W h / kg) de densidade de energia, uma densidade de potncia de 20 W / g.Ultracondensadores: Prximo Passo?AerogisAplicaes de Condensadores AerogelO tamanho muito pequeno e muito boa capacidade de manipulao de impulsos, faz dos supercondensadores de Aerogel idealmente adequados para aplicaes portteis de mo de baixa voltagem, movidos a bateria.

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Ultracondensadores: Prximo Passo?GrafenoO grafeno, material que promete revolucionar a fabricao de dispositivoselectrnicos, pode ter ainda mais aplicaes do que se pensava. Segundo uma nova pesquisa, nele os electres movem-se bem mais rpido do que no silcio, substncia base da computao modernaDescoberto em 2004 na Universidade de Manchester, pela dupla de cientistas russos Andre Geim e Kostya Novoselov, o grafeno, uma forma de carbono, com uma estrutura laminar plana de tomos de carbono, com um tomo de espessura, numa grade em colmeia e na qual os tomos mantm entre eles uma distncia especfica, mais resistente do que o diamante, altamente condutor, o primeiro material cristalino totalmente bidimensional conhecido pela cincia e considerado de enorme potencial para uso em computadores e em aparelhos eletrnicos.Propriedades do Grafeno: um material delgado quase transparente. to denso (quantidade de massa num determinado volume) que nem o hlio o pode atravessarAlta elasticidade e dureza. Flexvel e dobrvel.Mais resistente do mundo, 100 vezes mais do que o ao.Conduz eletricidade to bem quanto o cobre.Como condutor de calor, ele supera qualquer outro material conhecido

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Ultracondensadores: Prximo Passo?GrafenoEstruturas de Carbono

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Os supercondensadores de grafeno so candidatos em potencial para alimentar uma futura gerao de gadgets, automveis, e sistemas, pois em comparao as baterias actuais so de 100 a 1000 vezes mais rpidos, proporcionando um carregar de iPhone em 30 segundos, ou carregar totalmente um carro eltrico em minutos. Igualmente importantes so os benefcios ambientais dos, pois ao contrrio das baterias, que contm substncias e metais txicos, o grafeno totalmente biodegradvel.Ultracondensadores: Prximo Passo?GrafenoSupercondensadores

Neste supercondensador dois elctrodos de alta rea de superfcie, base de grafeno, (planos hexagonais azul e roxo), esto separados por uma membrana (amarelo).Durante o carregamento, anies, (esferas incorporadas brancas e azul), e caties (esferas vermelhas) do eletrlito, acumulam-se na vizinhana da superfcie do grafeno.Os ies so isolados eletricamente do material de carbono pela dupla camada eletroqumica que est servindo como um dieltrico molecular

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Laser Scribed Graphene SEM images - Scanning Electron Microscope imagesIlustrao esquemtica da fabricao de condensadores eletroqumicos baseados em grafeno escrito a laser (A a D)Ultracondensadores: Prximo Passo?GrafenoSupercondensadores - LightScribedwww.sciencemag.orgSubstratoLSGSeparador & electrlitoApply GO fiImsupported onFlexible substrateLightscribe in acomputerizedDVD drive

Peel off the LSG film

Device fabrication

E

LSGGO

Video

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Uma pelcula GO (xido de grafite), em substrato flexvel colocada sobre um disco de DVD gravvel, e uma imagem de computador depois gravada a laser atravs duma drive de gravao de DVDs dum computador. Como mostrado na foto, a pelcula Go, muda de cor de dourado para preto, medida que reduzida para grafeno, atravs do laser. O laser infravermelho de baixa potncia, transforma as folhas acamadas de GO, imediatamente em poucas peliculas bem esfoliadas LSG, como mostrado nas imagens transversais.LSGSeparador & ElectrlitoFolhas PlsticasUltracondensadores: Prximo Passo?GrafenoSupercondensadores LightScribed (Cont. da pgina anterior)Um condensador Electroqumico de Dupla Camadas construdo a partir de dois elctrodos idnticos de LSG, separador de ies poroso e eletrlito. O condensador resultante fino (menos de 100 micros), e continua a funcionar sem degradao, mesmo depois de dobrar e esticar vrias vezes.

Devido s propriedades electrnicas especiais de grafeno, os condensadores exibiu potncia muito maior do que as baterias de on-ltio de tamanho similar, sem sacrificar a capacidade de armazenamento de energia.Laser Scribed Graphene SEM images - Scanning Electron Microscope images

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Ultracondensadores: Prximo Passo?GrafenoProduoExistem vrios mtodos de produo em massa de grafeno, que permitem uma ampla escolha em termos de tamanho, qualidade e preo, para qualquer aplicao em particularQualidadePreo

CVD (Chemical Vapor Deposition)(Revestimento, bio, camadas condutoras transparentes, eletrnica, fotnica)

SiC(Silicon carbide)(Electrnica, transistores de RF)

Liquid-phase exfoliation(Revestimentos, compostos, tintas de impresso, armazenamento de energia, bio, camadas condutoras transparentes)

Molecular Assembly(Nanolectrnica)

Mechanical exfoliation(Pesquisa, prototipagem)

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Ultracondensadores: Aplicao de lanterna porttil

FlashCell Ultracapacitor Handlight

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Ultracondensadores: Aplicaa de Ferramentas portteis

Uma chave de fenda sem fio que se recarrega em 90 segundos uma das primeiras ferramentas alimentada por ultracondensadores sem fio no mercadoFlashCell Ultracapacitor Screwdriver Conjunto Carregador

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Equipamentos Electrnicos de ConsumoPara impulsos de alta corrente.Aumento da durao das baterias.Para uso de Baterias mais baratas.

Meios de TransporteVeculos Elctricos Hbridos.Travagem regenerativa.Direco assistidaCintos de segurana...

IndustrialSistemas de Energias Renovveis...

Ultracondensadores: Aplicaes

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Pack Ferrovirio ElctricoEnergia de travagem regenerativa, arranque do motor a Diesel, estabilizao de voltagem..

Passo em Sistema de Geradores ElicosPicos de potncia.

Aplicaes para pequenas clulasCmaras Digitais, AMR, Actuadores, Cartas de Memria, etc.,

TRACO INDUSTRIACONSUMO

Large Cells

Small CellsUltracondensadores: Aplicaes

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Ultracondensadores: Segmentos de Mercado

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Ultracondensadores: Segmentos de MercadoQuando necessrio um pico de potncia extra.. Os ultracaps do uma ajuda..

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Obrigado!

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Dvidas?Questes ?...

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Obrigado!

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Bibliografiashttp://www.ultracapacitors.org/index.php?option=com_content&Itemid=77&id=106&task=viewhttp://gigaom.com/cleantech/how-ultracapacitors-work-and-why-they-fall-short/http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_double-layer_capacitorhttp://www.mpoweruk.com/supercaps.htmhttp://www.nrel.gov/vehiclesandfuels/energystorage/ultracapacitors.htmlhttp://ieee.rackoneup.net/rrvs/07/Ultracapacitors%20in%20Combination%20with%20Lithium-ion.pdfhttp://www.koldban.com/SearchResults.asp?Cat=30http://www.enableipc.com/files/Ultracapacitors_for_Off_Grid_Solar_Applications.pdfhttp://www.docstoc.com/docs/32836076/BAMBOO-CHARCOAL-ACTIVATED-CARBONhttp://electrochem.cwru.edu/encycl/art-c03-elchem-cap.htmhttp://www.ultracapacitor.co.kr/ultracapacitor/index.htmlhttp://www.ultracapacitor.co.kr/support/guide.htmlhttp://www.learnabout-electronics.org/ac_theory/capacitors01.phphttp://capacitor.tedss.com/VisualGuide.asphttp://peswiki.com/index.php/Directory:Aerogelshttp://www.ultracapacitors.org/index.php?option=com_content&Itemid=77&id=106&task=viewhttp://capacitor.tedss.com/VisualGuide.asphttp://depts.washington.edu/solgel/pages/current_research/cur_research_home.html#supercapacitorhttp://www.caer.uky.edu/energeia/PDF/vol18_53.pdfhttp://www.avsusergroups.org/tfug_pdfs/2009_2banas.pdfhttp://www.jsrmicro.be/cms/uploads/Lithium Ion Capacitor Brochure.pdf

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Sheet1PerformanceBateria de ChumboUltracondens.Condensa. ConvencionalTempo de carga1 to 5 hrs0.3 to 30 s10-3 to 10-6 sTempo de descarga0.3 to 3 hrs0.3 to 30 s10-3 to 10-6 sEnergia (Wh/kg)10 to 1001 to 10< 0.1Ciclo de vida1,000>500,000>500,000Pot. especfica (W/kg)