Development of pseudocapacitors from composites of metal oxides and carbon materials

Autor(es)

Willian Gonçalves Nunes

• 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: 2023-07-31

Membros da banca

Hudson Giovani Zanin; Leonardo Moraes da Silva; Fabio Coutinho Antunes; Reinaldo Cesar; Bruno Bitarães Neto Salgado Brandão

• Orientador: Hudson Giovani Zanin

Resumo

O desenvolvimento de capacitores eletroquímicos (CE’s), os quais armazenam grande quantidade de energia de forma reversível e permitem sua rápida liberação para sistemas elétricos, é de suma importância na pesquisa científica e tecnológica. Algumas aplicações desses dispositivos são em veículos elétricos modernos [1], sistemas de armazenamento de energia solar, eólico e entre outros. Tendo em vista a importância do desenvolvimento e melhoria contínua destes dispositivos auxiliar no armazenamento de energia, esta pesquisa tem como foco o desenvolvimento de CE’s estáveis que mantenham sua característica intrínseca de elevada potência e principalmente buscar a combinação de elementos químicos capazes de melhorar e consequentemente aumentar de forma significativa a capacidade de armazenamento de energia com elevada ciclabilidade. Os CE’s estudados nesta pesquisa científica são da classe dos pseudocapacitores que tem como característica principal promover reações redox superficiais no estado sólido capazes de aumentar substancialmente (e.g., até 3 ordens de grandeza) a estocagem de energia dos CE’s [2], [3]. Neste contexto, na primeira parte desta pesquisa é apresentado um estudo comparativo do envelhecimento de eletrodos de carbono porosos nanoestruturados na presença de eletrólito orgânico e aquoso. Posteriormente, apresentamos nanoparticulados de óxido de níquel e manganês decorando eletrodos a base de carbono com uma extensa caracterização dos materiais associados ao estudo Operando do dispositivo. Na sequência dos estudos de eletrodos decorados com óxidos metálicos, relatamos caracterizações de nanoparticulados de óxido de níquel decorando eletrodos de fibra de carbono. Para uma caracterização mais aprofundada, combinamos as caracterizações Raman Operando e computacional para o entendimento da interface eletrodo e eletrólito dos dispositivos pseudocapacitores eletroquímicos (PCE’s). Após estudos usando óxidos metálicos, fizemos a decoração de eletrodos de carbono usando polímero condutor (e.g., polianilina). Aqui relatamos a degradação da polianilina em janelas de tensão de trabalho elevadas através da combinação de análise teórica (e.g., computacional) e experimental (Raman Operando). Por fim, fizemos estudos utilizando espinélio (e.g., estrutura cristalina composta de 3 óxidos metálicos diferentes como, Alumínio, Cobalto e Manganês) decorando eletrodos de carbono que proporcionou um aumento da janela pseudocapacitiva de trabalho acima de (e.g., de 1.0V para 1.4V) para eletrólito em meio aquoso. Este aumento na janela de tensão (V) de trabalho se torna expressivo para o armazenamento de energia (E) de capacitores eletroquímicos uma vez que a energia armazenada é diretamente proporcional a capacitância (C) e proporcional ao quadrado a janela de tensão (e.g., E = (CV²)/2). Os estudos supracitados desenvolvidos ao longo desta pesquisa publicados em periódicos apresentam uma extensiva caracterização ex-situ dos materiais, in-situ das caracterizações eletroquímicas e analises dos dispositivos Operando (AU)

• Processo FAPESP: 18/20756-6 - Desenvolvimento de pseudocapacitores a partir de compósitos de óxidos metálicos e carvão ativado
• Beneficiário: Willian Gonçalves Nunes
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado