Os carregadores portáteis são apenas um monte de condensadores?

Depende do que você quer dizer com "carregador". Na verdade, os únicos "carregadores" que realmente existem são aqueles em que você deixa cair as baterias. Alguns levam baterias de câmeras ou filmadoras, outros levam baterias de smartphones.

Tudo o resto é uma fonte de alimentação.

O que há num carregador portátil

Este é um "carregador" portátil, de acordo com a maioria das pessoas. Você pensa assim, porque, bem, ele é portátil (o meu aqui não é exatamente do tamanho de um bolso, mas está bem em uma mochila ou bolso de casaco) e ele carrega suas coisas.

Mas na verdade não é um carregador. Eu tenho um monte destes. Este é feito por Aukey e contém uma bateria de 16000mAhr de iões de lítio. E é mais ou menos isso que ele faz: é uma bateria. Isso é suficiente para cerca de 5 cargas do meu smartphone LG V10... naturalmente, também há muito mais pequenas por aí.

Não é tudo bateria - há mais algumas coisas. Há um sistema de gerenciamento de energia, que evita que o dispositivo exploda se você encurtá-lo e fornece energia USB "inteligente" para dois conectores USB Tipo A. O que isso significa é o seguinte. Simplificando, ao longo dos anos, diferentes fabricantes criaram formas diferentes de dizer a uma fonte de alimentação USB que "hey, eu quero mais energia". O padrão USB permite até 500mA a partir de uma porta de dados USB normal... você quer mais, se o seu telefone pode levá-lo. O gerenciamento de energia também fornece +5Vdc (principalmente), o padrão de voltagem para USB, embora uma célula de íon-lítio normalmente varia de ~4,1Vdc quando totalmente carregada, cerca de 3,6Vdc na maioria das vezes, até cerca de 3,2Vdc ou mais antes do circuito de proteção cortá-lo para evitar a descarga total, o que irá danificar a bateria (é por isso que as células de lítio sempre chegam com uma carga).

Há alguns anos atrás o pessoal USB reuniu-se e criou o padrão Battery Charging, que permite 1.5A (talvez um pouco mais, mas a maioria dos cabos e conectores só são classificados para 1.8A), assim você pode carregar até cerca de 3x mais rápido. Mas os telefones mais antigos e os telefones Apple usam sinalização proprietária. Portanto, uma porta de alimentação inteligente é um pequeno circuito controlado por microcontrolador que tenta um monte de coisas, observa o que o dispositivo conectado faz e se fixa no que ele pensa que irá fornecer mais energia para o seu dispositivo.

A porta laranja aqui também suporta a especificação QuickCharge da Qualcomm. Isso permite que um dispositivo que conhece carga rápida "fale" com a bateria e decida sobre o envio de uma voltagem mais alta. Isso tem que ser um pouco complicado para evitar alarmes falsos: enviar +9Vdc, +12Vdc ou +20Vdc para um dispositivo USB normal poderia fritá-lo. A razão pela qual você vai para uma tensão mais alta é que potência = tensão x corrente. A corrente é limitada pelos fios, mas se você aumentar a voltagem, você pode fornecer mais energia sobre os mesmos fios (a mesma razão pela qual o meu Prius original ficou sem uma fonte de 300V, mas a minha corrente é de uma fonte de 600V).

E assim, ok, há também um carregador - para a própria bateria. Foi trabalhado há muito tempo que todos os dispositivos USB carregam as suas próprias baterias. É por isso que o carregamento USB é universal... qualquer dispositivo USB pode carregar a partir de qualquer fonte de alimentação USB e simplesmente funciona (nem sempre rápido, claro). O carregador de bordo do seu telefone foi concebido especificamente para a bateria do seu telefone. O carregador no meu tijolo de alimentação foi concebido especificamente para a bateria desse tijolo de alimentação. Funciona sempre.

E que tal Capacitores?

Todas as baterias e capacitores armazenam electricidade, mas há uma diferença. O condensador armazena-a como uma carga eléctrica. Isso significa que os condensadores carregam e descarregam muito rapidamente. Há algumas desvantagens, uma delas é que um condensador enquanto descarrega irá mudar constantemente a voltagem para uma carga constante. Portanto, eles são um pouco mais difíceis de trabalhar em alguns aspectos, mais fáceis em outros.

Uma bateria armazena eletricidade convertendo-a em alguma forma de energia química. Em baterias recarregáveis (também conhecidas como secundárias) como a minha Li-ion aqui, este é um processo reversível. Em baterias primárias como as Durcell AAs que você pode comprar no supermercado, o processo é unidirecional.

Então por que uma bateria e não um monte de condensadores? Na maioria das vezes, é densidade de energia (Wh/L) ou energia específica (Wh/kg)... ambos são importantes para a eletrônica portátil. Assim, para células de íon-lítio, a densidade de energia específica vai de 100 a 250 Wh/kg, a densidade de energia vai de 250 a 620 Wh/L. É uma gama, existem várias formulações diferentes de baterias de Li-ion (e Li-poly, um subconjunto).

O último supercapacitor que usei num design foi um supercapacitor de aerogel de carbono, que pode ter gerido uma energia específica de cerca de 2Wh/kg (as folhas de dados não dizem realmente). Bastante caro, também... aparentemente os aerogeles são caros de fazer. Isso significaria que minha bateria teria que ser 50x-125x mais pesada para o mesmo armazenamento de energia... e embora eu não tenha encontrado uma densidade de energia, os aerogeles em si são leves (na verdade, como uma classe, o peso mais baixo para o volume de sólidos ainda inventados), então o tijolo de energia ele seria enorme!

Mas isso é provavelmente um problema temporário. Supercapacitores de areogel de carbono são relativamente novos. Os próprios areogéis foram descobertos por Samuel Stephens Kistler em 1929. Mas não aconteceu muito até os anos 70, quando os pesquisadores encontraram um monte de maneiras melhores de fazê-los. E os supercapacitores de aerogel comerciais não atingiram realmente o solo até o início dos anos 2000, fornecendo duas ordens de magnitude em energia específica sobre os capacitores tradicionais.

Então o trabalho está em andamento. Uma das áreas de pesquisa mais promissoras ainda é com carbono, mas com grafeno em vez de aerogel. A Universidade da Califórnia tem mostrado supercapas com energia específica de 40Wh/kg. Alguns pesquisadores privados pensam que acabarão por obter supercapacitores em várias vezes a densidade de energia das células de íon-lítio de hoje. Já existem chips de gerenciamento de energia, como o LTC3350, que permitem a utilização de um banco de supercapacitores como bateria em pequenos dispositivos. Portanto, isto pode vir no tempo.