Estudo de decoração de carvão ativado por óxidos metálicos de transição como material eletrodo em supercapacitores

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Jackson, Paloma Cristina, 1994-
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1642238
Resumo: Orientadores: Hudson Giovani Zanin, Júlio Criginski Cezar
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spelling Estudo de decoração de carvão ativado por óxidos metálicos de transição como material eletrodo em supercapacitoresStudy of decoration of activated carbon by transition metal oxides as an electrode material in supercapacitorsEnergiaEnergia - ArmazenamentoCarbonoÓxidos metálicosSupercapacitoresEnergyStorage - EnergyCarbonMetal oxidesSupercapacitorsOrientadores: Hudson Giovani Zanin, Júlio Criginski CezarDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Este trabalho apresenta vantagens do uso de nanopartículas de óxidos metálicos de transição para melhoria de materiais carbônicos em capacitores eletroquímicos. A comparação foi realizada por meio do projeto de fabricação e comissionamento de supercapacitores baseados em carvão ativado e em carvão ativado decorados com os óxidos de metais de transição como níquel, manganês e a combinação de ambos. As diferenças estruturais causadas pela adição dessas nanopartículas foram analisadas em densidade eletrônica por meio de XPS e Raman em ordem de organização cristalográfica em XRD, e imagens da superfície por SEM. O processo de fabricação contou com síntese dos pós por método de decomposição térmica, os produtos serviram para fabricação de tintas de 80% massa de material, 10% em carbon black, 10% PVDF em NMP, na concentração de 100g/L, com parâmetros otimizados de aumento de viscosidade e diminuição de craquelamento em cima de um coletor de corrente metálico. O encapsulamento CR2032 foi realizado na montagem de coin cell de eletrodos simétricos, separados por membrana celulósica onde o eletrólito é embebido. Os eletrólitos utilizados em todas as comparações foram em meio aquoso (3M NaClO4) por serem menos nocivos, não inflamáveis, de fácil manipulação e possuírem bom comportamento eletroquímico quando combinado com os tamanhos de mesoporos de carvão ativado. Os dispositivos construídos operam na janela de potencial de 0 a 1,5V e obtiveram os resultados de performance máximos: 36F/g, 22,76 Wh/Kg e 1,4W/kg para AC, 72 F/g, 38,44 Wh/Kg e 1,56W/kg para NiO-CA, 68F/g. 34,68 Wh/Kg e 1,4W/kg para MnxOy-CA e 20F/g para NiMnxOy-CA, os eletrodos possuem massa elevada, de pelo menos 10mg com eficiência Coulombica em torno de 100%. Dessa maneira, ainda que apresentasse baixa densidades de energia e potência, validou-se o carvão ativado comercial como eletrodo de boa característica capacitiva devido a sua alta área superficial teórica, e promoveu-se a melhoria deste material com a adição de componentes faradaicas por meio da fabricação de nanopartículas de óxidos metálicos de níquel e de manganês, resultando em aumento das trocas de carga. Com a adição dos óxidos metálicos observamos um aumento de 100% em relação ao material não decorado. Devido a decoração, há aproximação do comportamento de pseudocapacitivo ao invés de uma bateria. A tentativa da produção de espinélio de níquel manganês foi capaz de apresentar uma montagem ineficiente em termos comparativos, por conta do entupimento dos poros e inacessibilidade das regiões decoradas. Porém, o trabalho acadêmico foi enriquecedor e um dos desbravadores desta área no BrasilAbstract: This work presents advantages of using transition metal oxide nanoparticles to improve carbonic materials in electrochemical capacitors. The comparison was made through the design and manufacture of supercapacitors based on activated carbon and activated carbon decorated with the transition metal oxides such as nickel, manganese and the combination of both. The structural differences caused by the addition of these nanoparticles were analyzed in electronic density using XPS and Raman in order of crystallographic organization in XRD, and images of the surface by SEM. The manufacturing process included powder synthesis by thermal decomposition method, the products were used to manufacture paints of 80% mass of material, 10% carbon black, 10% PVDF in NMP, at a concentration of 100g/L, with parameters optimized for increasing viscosity and decreasing cracking on top of a metallic current collector. The encapsulation was performed by CR2032 in symmetrical coin cell electrodes assembly, separated by a cellulosic membrane where the electrolyte is embedded. The electrolytes used in all comparisons were in aqueous media (3M NaClO4) because they are less harmful, non-flammable, easy to handle and have good electrochemical behavior when combined with the sizes of mesoporous activated carbon. The devices built operate in the 0 to 1.5V potential window and obtained the maximum performance results:36F/g, 22,76 Wh/Kg and 1,4W/kg for AC, 72 F/g, 38,44 Wh/Kg and 1,56W/kg for NiO-CA, 68F/g. 34,68 Wh/Kg and 1,4W/kg for MnxOy-CA e 20F/g for NiMnxOy-CA,, the electrodes have high mass, at least 10mg and the efficiency is about 100%. Thus, even though it had low power density, commercial activated carbon was validated as an electrode with a good capacitive characteristic due to its high theoretical surface area, and the improvement of this material was promoted with the addition of faradaic components through manufacturing of nickel and manganese metal oxide nanoparticles, resulting in increased load changes. Due to the decoration, the capacitive behavior is similar to that of a battery. The attempt to produce nickel manganese spinel was able to present an inefficient assembly in comparative terms, but there is a proof of concept related to the state of the art in cobalt-free devices in energy storageMestradoEnergia ElétricaMestra em Engenharia ElétricaCNPQ161195/2018-0[s.n.]Zanin, Hudson Giovani, 1983-Cezar, Júlio Criginski, 1972-Peterlevitz, Alfredo CarlosMaciel Filho, RubensUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASJackson, Paloma Cristina, 1994-20212021-05-28T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdf1 recurso online (73 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/1642238JACKSON, Paloma Cristina. Estudo de decoração de carvão ativado por óxidos metálicos de transição como material eletrodo em supercapacitores. 2021. 1 recurso online (73 p.) Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1642238. Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1169784Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-10-20T10:24:26Zoai::1169784Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2021-10-20T10:24:26Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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