Revisão sobre supercondensadores: desde as técnicas de modelação matemática até à sua integração como dispositivos de armazenamento de energia elétrica

As energias renováveis além de serem fontes de energia limpa e inesgotáveis, contrariando a energia obtida através dos combustíveis fósseis, por exemplo, não contribuem para o efeito estufa, responsável por causar mudanças climáticas que se têm vivenciado. O compromisso de transitar para uma economia neutra em carbono até 2050, apostando fortemente nas energias renováveis na produção de energia, e com a crescente demanda de energia elétrica, faz com que exista um crescimento exponencial de instalações auxiliares para garantir a qualidade da energia elétrica na rede de distribuição, como por exemplo, instalações de armazenamento de energia elétrica. O uso de supercondensadores como alternativa sustentável para armazenamento de energia elétrica permite fornecer/armazenar grandes quantidades da mesma e descarregá-la tão rápido quanto necessário. Estes possuem uma excelente densidade de potência, taxa de carregamento rápido e ciclo de vida prolongado. Assim, a presente dissertação tem como objetivo fazer uma revisão geral sobre supercondensadores, desde as técnicas de modelação matemática até à sua integração como dispositivos de armazenamento de energia. Através da modelação matemática é possível representar e simular o seu comportamento sob diferentes condições de operação e, além disso, ajuda a entender como os seus componentes/materiais operam e interagem entre si. Os modelos de supercondensadores podem ser categorizados em cinco grupos principais: Modelos eletroquímicos, Modelos de circuitos equivalentes (ECMs), Modelos de ordem fracionária (FOMs), Modelos Data-Driven (DDMs) e Modelos térmicos. Dentro dos ECMs existem 4 grandes categorias, onde pertencem os modelos clássicos, os modelos de ramos em paralelo, os modelos de linhas de transmissão e outros modelos que não são muito frequentes na literatura. Para superar os problemas causados pelas diferenças das células num banco de supercondensadores e garantir um uso seguro, a tensão das células/supercondensadores ligados em série deve ser balanceada/equalizada. Os métodos de balanceamento permitem a equalização de todas as células de supercondensadores conectados em série, devendo ter uma velocidade de equalização rápida, alta eficiência e confiabilidade, baixo custo, fácil controlo e estrutura simples. Os métodos de balanceamento podem ser classificados como métodos de balanceamento passivos e ativos. Os métodos de balanceamento ativos podem ser divididos em dois grupos. O primeiro baseado em condensadores e o segundo baseado em conversores DC/DC. Dentro deste último grupo, existem topologias isoladas (com transformador) e não isoladas. Nesta dissertação é realizada uma análise comparativa de todos os modelos e métodos de balanceamento abordados, evidenciando as suas vantagens e desvantagens. Devido às suas caraterísticas operacionais, os supercondensadores têm sido extremamente utilizados em diversas áreas de engenharia. Podem ser utilizados em sistemas de armazenamento e regeneração de energia elétrica, fontes de alimentação para laptops, mecanismos para automóveis, equipamentos militares, sistemas de arranque de motores, aplicações médicas, entre outras.Renewable energies, in addition of being clean and endless sources of energy, contrary to energy obtained from fossil fuels, for example, do not contribute to the greenhouse effect, responsible for causing climate change that have been experienced. The commitment to transition to a carbon neutral economy by 2050, investing heavily in renewable energies in energy production, and with the growing demand for electricity, means that there is an exponential growth of auxiliary installations to guarantee the quality of electricity in the distribution network, such as electrical energy storage installations. The use of supercapacitors as a sustainable alternative for electrical energy storage allows to supply/store large amounts of it and discharge it as fast as needed. These have excellent power density, fast charging rate and extended life cycle. Thus, this dissertation aims to make a general review of supercapacitors, from mathematical modeling techniques to their integration as energy storage devices. Through mathematical modeling it is possible to represent and simulate its behavior under different operating conditions and, in addition, it helps to understand how its components/materials operate and interact with each other. Supercapacitor models can be categorized into five main groups: Electrochemical Models, Equivalent Circuit Models (ECMs), Fractional Order Models (FOMs), Data-Driven Models (DDMs) and Thermal Models. Within the ECMs there are 4 major categories, which include the classical models, the parallel branch models, the transmission line models and other models that are not very frequent in the literature. To overcome problems caused by cell differences in a supercapacitor bank and ensure safe use, the voltage of cells/supercapacitors connected in series must be balanced/equalized. The balancing methods allow the equalization of all cells of supercapacitors connected in series, and must have a fast equalization speed, high efficiency and reliability, low cost, easy control and simple structure. Balancing methods can be classified as passive and active balancing methods. Active balancing methods can be divided into two groups. The first based on capacitors and the second based on DC/DC converters. Within this last group, there are isolated (with transformer) and non-isolated topologies. In this dissertation, a comparative analysis of all the models and balancing methods discussed is carried out, highlighting their advantages and disadvantages. Due to their operational characteristics, supercapacitors have been widely used in several engineering areas. They can be used in electrical energy storage and regeneration systems, power supplies for laptops, mechanisms for automobiles, military equipment, engine starting systems, medical applications, among others

Building Thermally Stable Electrochemical Energy Storage Devices via Application of Temperature Responsive Polymers

Electrochemical energy storage devices such as supercapacitors (SCs) and lithium ion batteries (LIBs) play pivotal role in the undergoing “green energy revolution”, which involves the profound transformation of energy production pattern from fossil fuel to renewable energy such as solar and wind due to environmental pollution, global warming, and the inevitable depletion of crude oil and coal. However, wide applications of SCs and LIBs are still limited due to issues like thermal runway and derived hazards such as ageing or capacity degradation, fires and explosions. Even more so, thermal control issues only aggravate in large format devices. With the purpose to prevent thermal runaway from happening, temperature responsive polymers (TRPs) included electrochemical energy storage devices such as SCs and LIBs were designed and tested. By utilizing phase transition phenomenon such as hydrophilicity shift, precipitation of TRPs, it was discovered that TRP included system’s electrochemical performance could be efficiently halted once temperature raised beyond phase transition temperature, or lower critical solution temperature (LCST), therefore limiting further heating of the device. It is therefore believed that the development of this technology would offer inherent safe, localized protection mechanism (without disrupting the overall performance) for future large format energy storage devices