Eles já estão aí e devem ocupar um lugar de destaque entre os componentes eletrônicos não apenas como capacitores em si, mas em uma nova função que é a substituição das baterias como fonte de energia. Para entender como funcionam esses componentes vamos partir do início, estudando o princípio de funcionamento dos capacitores em geral e depois do parente mais próximo do supercapacitor que é o capacitor eletrolítico.
Nota: Artigo publicado na Revista INCB Eletrônica 26 de 2025
Os capacitores
Capacitores são componentes que armazenam cargas elétricas. São formados por dois condutores (placas ou armaduras) entre os quais é colocado um dielétrico. Eles são especificados em Farads (F) e seus submúltiplos (microfarad, nanofarad e picofarad). A figura 1 mostra a estrutura básica de um capacitor plano.
A capacitância de um capacitor plano é dada pela fórmula:
Onde:
C é a capacitância em picofarads (PF)
ε é a constante dielétrica (ver almanaque)
S é a área da superfície ativa da menor placa (se forem diferentes) em centímetros quadrados
N é o número de placas
D é a distância entre as placas em centímetros
Conforme percebemos analisando a fórmula, a capacitância é inversamente proporcional à espessura do dielétrico (D) na fórmula e diretamente proporcional a área efetiva. A área efetiva é a área que defrontam as duas armaduras.
. Isso significa que quanto mais fino for o dielétrico, maior será a capacitância e quanto maiores forem as placas, maior capacitância. Também influi a constante dielétrica que caracteriza as propriedades do material usado como dielétrico.
Quanto maior for a constante dielétrica, maior será a capacitância obtida para uma mesma área das armaduras e mesmo distância de separação.
Uma primeira ideia para se obter capacitâncias maiores de um capacitor é afinar ao máximo a espessura do dielétrico. Mas, existe um problema em se fazer um dielétrico muito fino. É a rigidez dielétrica.
Rigidez dielétrica
A rigidez dielétrica especifica a tensão máxima que pode ser aplicada entre dois eletrodos (normalmente indicada em função de eletrodos esféricos) sem que ocorra o centelhamento, quando o material deixa de ser isolante.
Em outras palavras, a rigidez mede a qualidade de um material como isolante e também para ser usado como dielétrico num capacitor. Para o ar, por exemplo, o valor indicado resulta em que a cada 1 cm temos uma tensão de 10 000 volts. Assim, se entre dois eletrodos que são afastados gradualmente, o faiscamento ocorre em distâncias até 2 cm, por exemplo, podemos dizer que a tensão aplicada é da ordem de 20 000 V. A tabela abaixo dá a rigidez dielétrica de alguns materiais.
Material Rigidez Dielétrica (V/m) Ar 3 x 106 Baquelite 24 x 106 Borracha de Neopreno 12 x 106 Nylon 14 x 106 Papel 16 x 106 Polistireno 24 x 106 Vidro Pyrex 14 x 106 Quartzo 8 x 106 Óleo de Silicone 15 x 106 Titanato de Estrôncio 8 x 106 Teflon 60 x 106
Desta forma, se aplicarmos uma tensão entre as armaduras de um capacitor maior do que a rigidez dielétrica calculada permite, ocorre o centelhamento. Esse centelhamento pode “queimar” o dielétrico, danificando-o de modo e irreversível. Ele perde as capacidades de isolamento. Dizemos que o capacitor queima. É por esse motivo que todos os capacitores têm especificada a tensão máxima de trabalho, ou seja, a tensão máxima que pode ser aplicada às suas armaduras sem que ocorra o faiscamento e com isso sua “queima”.
Nos capacitores comuns de cerâmica, poliéster, mica, etc, as tensões de trabalho podem ser relativamente elevadas chegando a mais de 1000 V. No entanto, temos mais um problema a considerar.
Capacitância x tensão x tamanho
Por outro lado, conforme podemos perceber pela fórmula, a capacitância também depende da área ou tamanho das armaduras. Chegamos então a um impasse, podemos aumentar a capacitância diminuindo a distância entre as armaduras, mas por outro lado se fizermos isso, diminuímos a tensão máxima de trabalho. O uso de materiais com elevada rigidez dielétrica permite fabricar capacitores com espessura de dielétrico muito pequenas e capacitâncias elevadas. Essa é a técnica empregada no caso dos capacitores eletrolíticos.
A ideia é obter um dielétrico extremamente fino, mas de boa constante dielétrica e rigidez usando um processo eletroquímico. Como é possível obter isso? Capacitâncias muito grandes em capacitores relativamente pequenos podem ser obtidas com os capacitores eletrolíticos. Na figura 2 temos a estrutura de um capacitor eletrolítico comum. Se bem que o princípio de funcionamento dos eletrolíticos seja o mesmo, uma camada de um óxido de metal como o alumínio, o tântalo ou o nióbio, o que os leva a comportamentos algo semelhantes, para nossa análise vamos nos concentrar no tipo mais comum que é o capacitor eletrolítico de alumínio.
Na figura 3 temos uma vista em corte desse componente.
Analisando o modo como a capacitância é obtida vemos ela se deve a finíssima camada de óxido que se forma numa folha de alumínio. Essa capa de Al2O3 funciona como um dielétrico e também dota o componente de propriedades retificadoras. Assim, sua curva característica é a de um diodo, conforme mostra a figura 4.
Isso mostra o motivo pelo qual esses componentes não devem ser invertidos e o motivo de não poderem trabalhar diretamente com correntes alternadas. Na figura 5 temos uma visão mais detalhada de como se formar o dielétrico nesse tipo de capacitor.
O óxido de alumínio tem boa constante dielétrica, mas existem outros materiais com constantes maiores que levam a capacitores mais compactos como o tântalo e o nióbio.
Aumentando ainda mais a capacitância – Os supercapacitores
A capacitância depende da espessura do dielétrico. Até quanto podemos diminuir essa espessura? A nanotecnologia permite tornar essa espessura tão pequena que a capacitância pode ser aumentada milhares de vezes em relação a um eletrolítico de mesmo tamanho. Podemos ter então supercapacitores diminutos com capacitâncias que medem em Faradas, como mostra o exemplo da figura 6
A nanotecnologia possibilita a elaboração de dielétricos com poucas camadas de átomos e com isso, as capacitâncias obtidas puderam aumentar de uma forma gigantesca. Capacitores que cabem na palma da mão com capacitâncias equivalentes a um capacitor esférico do tamanho da terra podem ser obtida. Até fizemos um artigo que tratava desse fato. Veja no link:
https://www.newtoncbraga.com.br/?view=article&id=19545:um-capacitor-do-tamanho-da-terra-fis001&catid=38
Existem diversas tecnologias empregadas para se fabricar capacitores de capacitâncias muito altas também conhecidos como supercapacitores..
Electrochemical Double-Layer Capacitor (Capacitor Eletroquímico de Dupla Camada)
Este tipo de capacitor, também abreviado por EDLC, tem dois eletrodos baseados em carbono, um eletrólito e um separador, conforme mostra a figura 7.
Um ponto importante que devemos observar é que diferentemente dos capacitores eletrolíticos convencionais a carga é armazenada no modo eletrostático ou não farádico, não havendo transferência de carga entre o eletrodo e o eletrólito. Uma camada duplo eletroquímica é usado para armazenamento de energia. Quando a tensão é aplicada, as cargas se acumulam na superfície dos eletrodos.
Como não existem transferência de cargas entre o eletrólito e os eletrodos, não ocorrem alterações químicas devido a processos não faradicos.
Por esse motivo, o armazenamento de carga nos EDLCs é altamente reversível, levando-os a altos graus de estabilidades de ciclo. Esses capacitores são estáveis aceitando muitos ciclos de carga-descarga, chegando a 106. ciclos.
Diversos tipos de materiais podem ser utilizados na elaboração dos eletrodos deste tipo de capacitor. Vejamos alguns:
- Carvão ativado
Este tipo de material pelas suas características de baixo custo e a possibilidade de se obter uma grande área efetiva, ele é amplamente usado nos EDCL. Eles são formados por uma estrutura complexa que tem microporos cujas dimensões vão desde 20 Angstrom até mais de 500 Angstrom.
Um fato interessante é que sabemos que teoricamente a capacitância depende da área efetiva dos eletrodos. Entretanto, no caso deste tipo de material como não é toda a superfície que contribui para a capacitância, a regra não é válida.
- Aerogels de carbono
Este é um material importante na elaboração dos eletrodos dos supercapacitores (EDLC). Eles são formados por uma rede contínua de nanopartículas, havendo nessa estrutura nanoporos.
- Nanotubos de carbono
Esta é uma alternativa interessante para a fabricação de eletrodos de supercapacitores. Os eletrodos são fabricados com uma rede de nanotubos com nanoporos. Na figura 8 temos um aspecto desta estrutura.
Uma característica importante que difere esta estrutura de outras de nanotubos é que eles estão eletricamente interligados. Com isso pode haver uma distribuição melhor das cargas. Desta forma, por terem uma área útil maior para a distribuição das cargas, os capacitores que empregam esta tecnologia são mais eficientes do que o tipo de carbono ativado.
Pseudocapacitores
Diferentemente dos supercapacitores (EDLCs) que armazenam a carga de forma eletrostática, os pseudocapacitores, armazenam as cargas faradicamente passando-as para o eletrólito. A tecnologia utilizada permite obter grandes capacitâncias além de grandes densidades de energia. Para esses tipos de capacitores dois materiais principais são usados para os eletrodos.
- Polímeros condutores
Esses materiais permitem obter uma capacitância relativamente alta e têm uma boa condutividade além de uma baixa ESR. Quando comparados aos materiais baseados em carbono. Um problema que limita sua durabilidade é o esforço mecânico por que passam no processo de carga e descarga devido às reações de oxidação e redução. Isso também limita sua estabilidade.
- Óxidos metálicos
Devido a sua alta condutividade eles têm sido utilizados em pseudocapacitores. O principal óxido usado é o óxido de rutênio. Sua estrutura amorfa facilita a remoção e intercalação de prótons, algo importante no processo de funcionamento do componente. Outro motivo da escolha é que com esse material é possível obter capacitores com ESR menor do que os que utilizam outros materiais. Isso permite que os pseudocapacitores com esse material tenham densidades de energia e capacidades de armazenamento semelhantes aos supercapacitores comuns (EDLCs).
Capacitores Híbridos
Os supercapacitores híbridos exploram as vantagens dos dois tipos de capacitores que vimos. Utilizando os processos farádicos e não-farádicos para armazenar cargas, conseguem densidades de energia e capacidades de armazenamento até maiores do que os EDLCs mantendo a estabilidade.
Eletrodos compostos
Os eletrodos compostos utilizam tanto materiais baseados em carbono como também polímeros condutores além de incorporarem tanto recursos químicos como físicos para armazenamento de cargas. Os materiais baseados em carbono levam ao uso da tecnologia de duas camadas aumentando a área efetiva ao mesmo tempo que aumenta o contato com os materiais pseudocapacitivos e o eletrólito. Nessa tecnologia temos a possibilidade de ter estruturas assimétricas com eletrodos positivo e negativo usando diferentes arquiteturas.
ESR (Equivalent Series Resistance)
Sempre que tratamos de capacitores, um problema que preocupa os projetistas é que os capacitores não são componentes ideais, ou seja, nem sempre apresentam somente uma capacitância quando inseridos num circuito. Explicamos isso de modo detalhado no nosso artigo “Quando um capacitor não é apenas um capacitor” no link:
https://www.newtoncbraga.com.br/?view=article&id=19378:quando-um-capacitor-nao-e-apenas-um-capacitor-art4256&catid=38
Na figura 8X temos o circuito equivalente a um simples capacitor observando-se que ele possui três resistores que afetam seu comportamento. Assim, todo capacitor se comporta como dois componentes e a presença da resistência em série deve ser considerada.
Além desta característica, muitas outras precisam ser melhoradas ainda. Dentre elas temos a auto-descarga. Trata-se de um fenômeno que ocorre nos supercapacitores que é devido ao fato de que por estarem num alto estado de energia potencial, eles tendem a se descarregar mesmo quando não estão alimentando nenhuma carga externa. Ela ocorre também com os capacitores comuns, mas no caso dos supercapacitores devido a sua alta capacidade de armazenamento o fenômeno é mais intenso.
Conclusão
Os supercapacitores podem consistir em uma excelente alternativa como fontes secundárias de energia. A curva da figura X mostra como eles podem ser comparados tanto aos capacitores comuns como às baterias e as células a combustível.
Mas, ainda há muito a ser feito. A curva que mostra a intersecção da suas curva de característica com a das baterias comuns nos permite tirar muitas conclusões.
Não demorará que, com o desenvolvimento de novas tecnologias e a melhora de suas características as curvas dessas duas importantes fontes de energia se sobreponham e o supercapacitores realmente possa substituir as baterias num número maior de aplicações.
No site temos alguns mais artigos de interesse para o leitor:
ART4919 – Capacitores eletrolíticos, o que você talvez não saiba:
ART1819 – Como funcionam os capacitores eletrolíticos
ART230 – Capacitores como fontes de energia
https://www.newtoncbraga.com.br/?view=article&id=1587:art230&catid=52
