Development of carbon and metal oxide based pseudocapacitor device and analysis operando using Raman spectroscopy

Autor(es)

Lenon Henrique da Costa

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Campinas, SP.
• Instituição: Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação
• Data de defesa: 2022-03-15

Membros da banca

Hudson Giovani Zanin; Aline Maria Pascon; Cesar Jose Bonjuani Pagan; Gustavo Doubek; Tiago Almeida Silva

• Orientador: Hudson Giovani Zanin

Resumo

O desenvolvimento de dispositivos armazenadores de energia tem grande importância no cenário mundial atual, que cada vez mais demanda por produtos e por fontes de geração de energia que utilizam supercapacitores e baterias, tais como os carros elétricos e a energia eólica. Supercapacitores sofrem com baixa densidade de energia, porém são dispositivos que disponibilizam alta densidade potência e que podem ser carregados e descarregados centenas de milhares de vezes. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho foi desenvolver um dispositivo que combinasse processos não-faradaicos de dupla camada elétrica (típico de supercapacitores) e processos pseudocapacitivos faradaicos (típicos de baterias). Eletrodos flexíveis e autossuportados de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTCPM) foram produzidos e funcionalizados por plasma de oxigênio. Esses eletrodos com e sem funcionalização foram estudados por métodos eletroquímicos em configuração simétrica e utilizando eletrólito aquoso neutro. NTCPMs também foram utilizados como estrutura suporte de eletrodos flexíveis e autossuportados de carvão ativado (CA), material capacitivo poroso de alta área superficial, e de pentóxido de nióbio ortorrômbico (T-Nb2O5), material pseudocapacitivo devido a rápida intercalação de íons Li+. Ambos os eletrodos foram estudados por métodos eletroquímicos em configuração assimétrica e utilizando eletrólito orgânico. O desenvolvimento desses dispositivos também depende de avanços na compreensão dos fenômenos químicos da superfície dos eletrodos e da interface entre eletrodo/eletrólito. Por esse motivo, análises de espectroscopia Raman in situ e em operação foram feitas com foco no processo de pseudocapacitância do eletrodo de T-Nb2O5 (eletrodo negativo). Os resultados do presente trabalho confirmam que eletrodos de carbono de alta superficial podem melhorar as características elétricas de supercapacitores. Especialmente os NTCPMs, os quais propiciam altas densidades de potência e têm excelentes propriedades eléctricas, demostraram ser um ótimo material de suporte para outros materiais, e justamente por isso eles foram utilizados em conjunto com CA e T-Nb2O5. Embora fosse esperado um aumento maior no armazenamento de energia por meio da funcionalização, também foi notado que NTCPMs per se sofrem de baixa densidade de energia devido as suas paredes múltiplas internas não serem eletricamente ativas. Contudo, o estudo destes dispositivos permitiu propor um modelo teórico para representar o comportamento da capacitância distribuída e da influência da resistência ôhmica do eletrólito no interior dos poros do material no processo de armazenamento da carga. A interação entre reações faradaicas e não-faradaicas, i.e., entre capacidade (Coulomb) e capacitância (Farad), precisa considerar as constantes de tempo envolvidas em cada processo. A capacitância distribuída aplicada a dispositivos e eletrodos pseudocapacitivos se mostrou um ótimo meio de avaliar e viabilizar essa interação complexa. O T-Nb2O5 permite uma rápida reação faradaica de difusão de íons de lítio através da estrutura do material ativo. Neste sentido, a análise Raman in situ e em operação foi crucial para esclarecer os mecanismos eletroquímicos do material e da sua superfície, assim como as voltagens de intercalação do Li+ no dispositivo assimétrico. Foi possível combinar elétrodos típicos de bateria e eletrodos essencialmente capacitivos. A reação pseudocapacitiva de intercalação do T-Nb2O5 foi suficientemente rápida para viabilizar um armazenador de energia de alta potência que armazena 45% e ~2,5 vezes mais energia que um supercapacitor com eletrodos de CA, considerando tempos de carga e descarga entre 5 segundos e 2 minutos, respectivamente, nas mesmas condições e com capacidades de potência semelhantes (AU)

• Processo FAPESP: 17/19222-4 - Desenvolvimento de dispositivo armazenador e fornecedor de energia elétrica e metodologia de análise dinâmica em modo de operação
• Beneficiário: Lenon Henrique da Costa
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto