Estudos físico-químicos da eletroinserção de íons em hexacionoferratos aplicados a baterias recarregáveis

• Autor(a) principal: Joao Otavio de Sousa Mendes
• Data de Publicação: 2017
• Tipo de documento: Dissertação
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-AQPUPZ
• topic: mecanismo de Grotthus; cinética de inserção; Alternativas ao lítio; difusão iônica; bateria rápida; Físico-química; Eletroquímica; Pilhas e baterias; Baterias; Energia Armazenamento

Baterias de inserção iônica que operam em meio aquoso apresentam custos e riscos de operação consideravelmente menores em relação às baterias de lítio comerciais que operam com eletrólitos orgânicos de alto custo, inflamáveis e tóxicos. Por isso, tais dispositivos são ideais para aplicação em sistemas de armazenamento em larga escala. Entretanto, apenas alguns materiais de inserção apresentam desempenho adequado em meio aquoso. Dentre eles, destacam-se os hexacianoferratos (HCF's) que são uma classe de compostos com estrutura análoga ao Azul da Prússia e que suportam a inserção de diversos cátions em meio aquoso com alta reversibilidade e bom desempenho energético. Neste trabalho, um CuHCF e um VOHCF são sintetizados e submetidos à caracterização química, estrutural, morfológica e eletroquímica. Propriedades termodinâmicas e cinéticas do CuHCF são avaliadas frente a inserção de Li+, Na+, K+, Mg2+, Al3+ e H3O+. O material apresenta boa reversibilidade para inserção dos diversos cátions e capacidades específicas de descarga que variam entre 47 e 55 mAh.g-1 a 0,5C (30 mA.g-1), sendo que o K+ apresenta o melhor desempenho. A retenção de capacidade em taxas altas melhora consideravelmente em eletrólito fortemente ácido, passando de 17% (Na+, pH = 2) para 57% (Na+ em H2SO4 6 M) a 60C (3,6 A.g-1). Notavelmente, tanto o CuHCF como o VOHCF são capazes de operar reversivelmente na inserção/desinserção de prótons na estrutura (íons hidrônio). A 0,5C o CuHCF apresenta capacidade de 57 mAh.g-1 em H2SO4 3 M e retém 53% dessa capacidade a 120C (7,2 A.g-1). Já o VOHCF apresenta capacidade de 40 mAh.g-1 mesmo em uma taxa extremamente alta de 160C (14,4 A.g-1). Retenções tão altas são alcançadas devido ao transporte rápido de prótons no material via ligações de hidrogênio. Adicionalmente, os coeficientes de difusão de cada um dos cátions foram determinados e podem ajudar a compreender o desempenho do CuHCF nos diferentes eletrólitos. O estudo das propriedades físico-químicas dos HCF's em eletrólitos aquosos de diferentes cátions é um importante passo para compreender o mecanismo de inserção iônica nesses sistemas, visando o desenvolvimento de baterias mais eficientes e baratas.