Eletrodos binder-free para baterias e supercapacitores de lítio baseados em nanocompósitos de carbono e óxidos metálicos: uma avaliação de viabilidade técnica

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Freitas Neto, Décio Batista de
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Baterias; Battery; Binder-free; Composite; Compósito; Electrode; Eletrodos; Lithium; Lítio; Nonwoven; Supercapacitor
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-20062023-065959/

A presente tese visou desenvolver e investigar o desempenho eletroquímico de eletrodos compósitos do tipo binder-free baseados em óxidos metálicos suportados sobre fibras de carbono nonwoven em eletrólitos não aquosos de lítio e sódio. A fibra de carbono adquirida foi obtida a partir da carbonização de poliacrilonitrila, e a carga eletroativa composta por nanotubos de carbono (CNT), óxido de grafeno reduzido (rGO) e nanoestruturas de óxido de vanádio (V2O5.nH2O) e de ferro (Fe2O3). O V2O5.nH2O foi eletrodepositado sobre a fibra recoberta com CNT, esse método garantiu um bom controle de massa eletrodepositada e o Fe2O3 foi incorporado por impregnação, mergulhando-se o eletrodo em solução precursora, em seguida secagem e tratamento térmico. A análise de desempenho eletroquímico foi realizada a partir de voltametria e cronopotenciometria cíclicas. Os resultados mostram que o eletrodo V@CNT-feltro pode atuar como cátodo e o eletrodo Fe-rGO@CNT-feltro como ânodo em baterias de lítio, com excelentes valores capacidade específica. O compósito contendo óxido de ferro apresentou capacidade específica de 1.600 e 2.121mAh/g na corrente de 1A/g, nas proporções de Fe-rGO/CNT e 60% e 54%, respectivamente. Esses altos valores se devem a processos pseudocapacitivos que resultaram em um incremento no armazenamento de lítio. No entanto, esses valores de capacidade sofreram muita flutuação, especialmente em correntes gravimétricas de 2 e 3A/g, que pode ter sido causada por mudanças estruturais no óxido de ferro durante as reações de conversão em valores de correntes elevados combinado com uma elevada área superficial do eletrodo. O óxido de vanádio apresentou 633 mAh/g de capacidade específica em 0,5A/g, na proporção V2O5.nH2O/CNT de 34% e no intervalo de potencial 1,5-4,2 V vs. Li/Li+. Os valores observados são muito superiores aos observados em eletrodos comerciais, sofrem influência de processos pseudocapacitivos e do sinergismo entre os óxidos metálicos e os carbonáceos, em especial o CNT que, além das interações eletrônicas com os óxidos, cria um arranjo tridimensional que aprimora o transporte eletrônico e a resistência estrutural do eletrodo.