Compósitos diamante-CVD/Fibra de carbono como ânodo em baterias de íons de lítio

• Ano de defesa: 2006
• Autor(a) principal: Érica Cristina Almeida
• Orientador(a): Neidenei Gomes Ferreira, Vladimir Jesus Trava Airoldi
• Banca de defesa: Maurício Ribeiro Baldan, Silvia Helena Pires Serrano, Mirabel Cerqueira Rezende
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Engenharia e Gerenciamento de Sistemas Espaciais
• País: BR
• Resumo em Inglês: An innovative composite diamond/carbon fiber is presented for application as negative electrode (anode) in lithium ion batteries. In this sense, it was important the understanding and discussion of three subjects divided into: obtaining and characterization of the carbon fiber, used as substrate; growth and characterization of doped diamond film on the fiber, forming the composite; and, finally, the results of the application of this material as anode in lithium ion batteries. The structure of the carbon fibers obtained from polyacrylonitrile precursor is strongly dependent on the heat treatment temperature (HTT). HTT increasing affects the diamond film quality as well as the sample electrical resistivity and the intercalation sites. Morphological differences on the diamond films are also evident as a function of HTT. The grain size, observed from Scanning Electron Microscopy (SEM), increases with the evolution of the substrates graphitization treated at 1000, 1500 and 2000 °C. An more organized structure favored the appearance of the pyramidal (111) diamond plane where diamond particles possibly nucleated at the graphite edge. In all the studied substrate the SEM images show that the carbon fibers were completely re-covered by the diamond film, forming a three-dimensional diamond structure up to a depth of 1.5 mm, for films grown in both sample sides. The electrochemical behavior of lithium intercalation showed that the composite electrode with fibers treated at 1000 °C and re-covered with highly conducting diamond increases the capacity of lithium storage, when the intercalation process was made with low current, reaching 370 mA.h.g-1 of the reversible charge capacity. The main advantage of these composite electrodes is that they are free of a polymer binder, frequent ly used in the electrodes for lithium ion batteries. Thus, the batteries anode preparation becomes easy and simplified, further than to decrease the electric resistance in such device.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/MTC-m13@80/2006/10.05.18.15

Um compósito inovador diamante/fibra de carbono é apresentado para aplicação como eletrodo negativo (ânodo) de baterias de íons de lítio. Neste propósito foi importante o entendimento e discussão de três frentes de estudos divididos em: obtenção e caracterização da fibra de carbono, utilizada como substrato; crescimento e caracterização do filme de diamante dopado sobre a fibra, formando o compósito; e, finalmente, os resultados da aplicação desse material como ânodo em baterias de íons de lítio. O substrato (obtido a partir do precursor poliacrilonitrila) evidenciou uma estrutura fortemente dependente da temperatura de tratamento térmico, tanto nas análises de difração de raios x como de espectroscopia de espalhamento Raman. Verifica-se que o índice de grafitização das fibras afeta a obtenção do filme de diamante, a resistividade da amostra e o processo de disponibilidade de sítios ativos na eletrointercalação de lítio. Diferenças morfológicas dos filmes de diamante são marcantes e o tamanho de grão, observado por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), aumenta com a evolução do tratamento térmico dos substratos tratados em 1000, 1500 e 2000 °C. Uma estrutura mais organizada favorece o aparecimento do plano piramidal (111) do diamante, com a possível ligação inicial do diamante nas ligações das bordas grafíticas. Em todos os substratos estudados as fotomicrografias por MEV mostram as fibras de carbono completamente recobertas pelo filme, formando uma estrutura tridimensional de diamante até uma profundidade de 1,5 mm, para filmes crescidos simultaneamente em ambos os lados da amostra. O comportamento eletroquímico de intercalação de íons de lítio mostrou que o eletrodo compósito com fibras tratadas em menor índice de grafitização e recoberto com diamante altamente condutor aumenta a capacidade de armazenamento de lítio, quando a eletrointercalação é realizada em baixas correntes, alcançado uma capacidade reversível de 370 mA.h.g-1. A principal vantagem destes eletrodos compósitos é que eles são livres de um polímero ligante frequentemente utilizado nos eletrodos em baterias de íons de lítio e com isto a preparação do ânodo das baterias fica bastante simplificada, além da ausência de resistência elétrica do eletrodo.