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Dissertação de Mestrado
Documento
Autor
Nome completo
Décio Batista de Freitas Neto
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
Ribeirão Preto, 2018
Orientador
Banca examinadora
Rosolen, Jose Mauricio (Presidente)
Canobre, Sheila Cristina
Ramos, Ana Paula
Valente, Renata Kelly Mendes
Título em português
Desenvolvimento e estudo eletroquímico de eletrodos híbridos do tipo nonwoven de nanotubos de carbono e MnO2 para bateria de íons lítio e supercapacitor
Palavras-chave em português
Baterias; Binder-free/metal-free; Compósito híbrido; Eletrodos; Lítio; Nonwoven; Supercapacitor
Resumo em português
O presente trabalho está relacionado com o desenvolvimento e análise do desempenho eletroquímico de eletrodos compósitos do tipo nonwoven também chamados de free-standing binder/metal-free electrodes, em eletrólito líquido orgânico que contem íons de lítio. Os eletrodos de excelente resistência mecânica, livre de metais e binder, e que podem conter vários miligramas dematerial eletroativo por cm3, são constituídos por substratos de fibras de carbono derivado de poliacrilonitrila, e a carga eletroativa composta por nanotubos de carbono de parede múltipla (NTC) e nanotubos de MnO2 (NT). Foram utilizados dois tipos de substrato (denominados aqui de feltro e tecido de carbono) de diferentes condutividades eletrônicas e geometrias tridimensionais. O recobrimento das fibras de carbono dos nonwovens com NTC foi realizado por decomposição química de vapor (CVD) mantendo-se constante as variáveis operacionais, o que resultou em NTC do mesmo tipo para todas as amostras e um bom controle da massa depositada. O MnO2 foi incorporado por eletrodeposição em eletrólito aquoso, esse método garantiu um bom controle de massa eletrodepositada de NT. Os eletrodos obtidos foram caracterizados estruturalmente empregando-se microscopia de varredura (MEV), difração de raios-X e microscopia Raman. Para análise de desempenho eletroquímico e mecanismo de armazenagem/conversão de energia nos eletrodos empregadas as técnicas de voltametria e cronopotenciometria cíclicas. Os resultados mostram que os eletrodos compósitos são híbridos, podem atuar como capacitores e eletrodos de baterias de íons lítio. As metodologias aplicadas se mostram extremamente reprodutíveis reprodutivas e controláveis. Depedendo das composições e combinações foi possível obter capacidades específicas associadas com armazenagem/estocagem de lítio em altas densidades de corrente (A/g) na janela de potencial de 0,005 - 3,5V vs Li/Li+ (por exemplo, 800 mAh/g em 1 A/g, taxa C-rate = 1,25C, 400 mAh/g em 2,66A/g, taxa C-rate = 5C). A eficiência faradaica para o primeiro ciclo carga/descarga variou entre 83% e 54%, dependendo da quantidade de MnO2 e da corrente aplicada. Foi observado que é possível melhorar ainda mais os resultados com adição de outros constituintes, como por exemplo, a adição de partículas de prata (<1 % em peso). Neste caso os eletrodos forneceram eficiência faradaica de 83%, 1.100 mAh/g em 1,7A/g, em taxa C-rate = 1,66C e 550 mAh/g em 2,8A/g em taxa C-rate = 5C). Em termos de capacitância os compósitos também se mostram muito positivos. Valores de capacitância da ordem de 180F/g foram facilmente obtidos em tempos de descarga de 58s e num intervalo de potencial em relação ao Li/Li+ (~3,05 V vs H2/H+) de 1,4 a 3,8V vs Li/Li+, o que permite gerar densidade de energia e potência da ordem de 63 Wh/kg e 3,6 kW/kg respectivamente. Os eletrodos estudados podem atuar como eletrodo em baterias de íons lítio e em dispositivos de capacitores, o que significa que pode ser útil para o desenvolvimento de sistemas híbridos de armazenamento/conversão de energia, particularmente, de sistemas híbridos bipolar bateria-supercapacitor.
Título em inglês
Development and electrochemical study of hybrid nonwoven electrodes of carbon nanotubes and MnO2 for lithium ion battery and supercapacitor
Palavras-chave em inglês
Battery; Binder-free/metal-free; Electrode; Hybrid composite; Lithium; Nonwoven; Supercapacitor
Resumo em inglês
The present work is correlated with the development and electrochemical analisys of a nonwoven kind of electrode, also called as free-standing binder/metal-free electrodes, into lithium-ion liquid organic electrolyte, whereas the constituents are the substrate made of carbon fiber derived from carbonization of polyacrylonitrile, and the electroactive material which are defective multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and MnO2 nanotubes. Two types of nonwoven substrates (here denominated felt and cloth) with different electronic conductivity and three-dimensional geometry were employed. MWCNT coating of the nonwoven carbon fibers was achieved with chemical vapor decomposition (CVD) of methanol at same growth conditions, which resulted in electrodes with same type of MWCNT and a good control of the deposited mass. MnO2 was incorporaded by electrodeposition in aqueous electrolyte and this methodology was found appropriate to provide electrodes with same MnO2 NT loading, although the structural phase of MnO2 was affect by nonwoven substrate type. The robusts electrodes able to support several miligrams of electroactive material per cm3 obtained were structurally characterized using scanning electron microscopy (SEM, TEM), X-ray diffraction and Raman microscopy. It was employed cyclic voltammetry at different scan rate and chronopotentiometry (discharge/charge curves at galvanostatic conditions) aiming the understanding of the electrochemical performance and mechanism of energy storage/conversion of MnO2/MWCNT coated nonwoven electrodes. The results show that the composite electrode is hybrid, can act like capacitor or lithium ion battery electrode. It can provide very high specific capacity associated with storage/extraction of Li same in elevated gravimetric current density of A/g in the potential window of 0.005-3.5V vs Li/Li+ (e.g 800 mAh/g at 1 A/g, rate = 1,25C, 400 mAh/g at 2,66A/g, rate = 5C). The Faradic efficiency measure during the first charge/discharge cycle was between 83% to 54% depending on amount of MnO2 constituent and applied current. It was also observed a gain in the electrochemical performance of MnO2/MWCNT coated nonwoven electrode with Ag nanoparticles addition (about 1% wt). With presence of Ag constituent into the composites nonwovens it was found for instance 83% of Faradic efficiency at 1st discharge/charge cycle, 1,100 mAh/g at 1,7A/g rate = 1,66C and 550 mAh/g at 2,8A/g rate = 5C. In terms of capacitance the nonwoven were able to provide values like 180 F/g during 58s in high voltage window (1.4-3.8V vs LI/Li+) which correspond to energy and power density of 63 Wh/kg e 3.6 kW/kg, respectively. The electrodes developed in the present study could therefore act both as an electrode for Li intercalation and for capacitors devices, which means that it can be useful for the development of hybrid energy storage/conversion systems, particularly, bipolar battery-supercapacitor hybrid single.
 
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Data de Publicação
2018-06-22
 
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