%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21c/2020/02.06.02.03
%2 sid.inpe.br/mtc-m21c/2020/02.06.02.03.15
%T Compósito nanoestruturado de esferas de carbono poroso sobre feltro de fibra de carbono para eletrodos de supercapacitores
%J Nanostructured composite of porous carbon spheres on activated carbon fiber felt for supercapacitor electrodes
%D 2020
%8 2020-03-06
%9 Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais e Sensores)
%P 70
%A Munhoz, Manuella Gobbo de Castro,
%E Baldan, Maurício Ribeiro (presidente/orientador),
%E Amaral-Labat, Gisele Aparecida (orientadora),
%E Savonov, Graziela da Silva,
%E Lenz e Silva, Guilherme Frederico Bernardo,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K supercapacitores, caracterização eletroquímica, carbono poroso, esferas de carbono, supercapacitors, electrochemistry characterization, porous carbon, carbon spheres.
%X Supercapacitores são dispositivos de alta capacidade de armazenamento de energia elétrica. Eles são amplamente estudados na literatura devido ao seu elevado potencial de aplicação em sistemas de geração de energia, veículos elétricos híbridos e outros dispositivos elétricos. Apesar de fornecer mais energia, os supercapacitores possuem capacidade de armazenamento de carga volumétrica inferior quando comparado às baterias, cerca de 3 a 30 vezes menor. Portanto, o desenvolvimento e implantação de novos dispositivos com maior eficiência dependem de novos materiais para eletrodos e eletrólitos, assim como o ajuste de suas propriedades eletroquímicas. A presença de uma estrutura porosa 3D (esferas) pode facilitar um maior armazenamento de cargas dentro da estrutura de rede formada no eletrodo. Pode-se, ainda, ressaltar que os eletrodos utilizando esferas porosas de carbono (ECs) sobre o suporte carbonoso apresentam a vantagem de baixo custo, sobretudo devido à utilização de uma metodologia simplificada de deposição. Nesse trabalho, foram desenvolvidos e caracterizados compósitos nanoestruturados feitos a partir da deposição de ECs sobre feltros de fibra de carbono, visando verificar seu potencial como eletrodo de supercapacitores. A síntese das esferas de carbono porosas foi realizada utilizando a extensão do método de Stöber, bem como a produção do compósito nanoestruturado a partir da deposição de esferas sobre feltro de carbono. As estruturas morfológicas dos materiais apresentaram diferenças em função das condições do tratamento térmico empregado de carbonização e ativação. A estrutura formada exibiu excelentes propriedades eletroquímicas em comparação à eletrodos desenvolvidos utilizando ECs, possivelmente associados ao tratamento de ativação. Exemplo disto foram as amostras ativadas com cavidades porosas circulares uniformemente distribuídas, área superficial elevada e microporosa. As caracterizações eletroquímicas das amostras ativadas exibiram maior amplitude na densidade de corrente nas voltametrias cíclicas, resultando em uma maior área diretamente relacionada ao valor elevado de capacitância. As curvas galvanostáticas de carga-descarga e as voltametrias cíclicas apresentaram falta de linearidade, indicando a presença de efeitos faradaicos durante as varreduras e caracterizando o mecanismo de armazenamento de energia destes materiais como híbrido. Essas características proporcionaram um excelente desempenho capacitivo eletroquímico das amostras, que pode ser atribuído à sua área superficial específica, facilmente acessível ao eletrólito e aos grupos contendo nitrogênio na superfície do carbono que originam efeito pseudocapacitivo devido às reações redox faradaicas. Os valores de capacitância dos eletrodos alcançaram valores de até 327 F g-1. ABSTRACT: Supercapacitors are devices with high electrical energy storage capacity. They are widely studied in the literature due to their high potential for application in power generation systems, hybrid electric vehicles, and other electrical devices. Despite providing more energy, supercapacitors have a lower volumetric charge storage capacity when compared to batteries, which are about 3 to 30 times smaller. Therefore, the development and implantation of new devices with greater efficiency depends on new materials for electrodes and electrolytes, as well as the adjustment of their electrochemical properties. The presence of a 3D porous structure (spheres) can facilitate greater storage of charges within the network structure formed on the electrode. It can also be emphasized that the electrodes using porous carbon spheres (CS) on the carbonaceous support have the advantage of low cost, mainly due to the use of a simplified deposition methodology. In this work, nanostructured composites made from the deposition of CS on carbon fiber felts were developed and characterized, to verify their potential as a supercapacitor electrode. The synthesis of the porous carbon spheres was performed using the extension of the Stöber method, as well as the production of the nanostructured composite from the deposition of spheres on carbon felt. The morphological structures of the materials showed differences depending on the conditions of the heat treatment employed for carbonization and activation. The formed structure exhibited excellent electrochemical properties compared to electrodes developed using CS, possibly associated with the activation treatment. An example of this was the activated samples with uniformly distributed circular porous cavities, elevated surface area and microporosity. The electrochemical characterizations of the activated samples exhibited greater amplitude in current density and cyclic voltammetry, resulting in a larger area directly related to the high capacitance value. The galvanostatic chargedischarge curves and cyclic voltammetry showed a lack of linearity, indicating the presence of faradaic effects during sweeps and characterizing the energy storage mechanism of these materials as a hybrid. These characteristics provided the excellent electrochemical capacitive performance of the samples, which can be attributed to their specific surface area, easily accessible to the electrolyte, and the nitrogen groups on the carbon surface, which give rise to a pseudocapacitive effect due to faradaic redox reactions. The capacitance values of the electrodes reached values of up to 327 F g-1.
%@language pt
%3 publicacao.pdf