Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/66794
Type: Tese
Title: Desenvolvimento de supercapacitores híbridos empregando materiais nanoestruturados e líquido iônico
Other Titles: Development of hybrid supercapacitors applying nanostructured materials and ionic liquid
Authors: Garbas Anacleto dos Santos Junior
First Advisor: Rodrigo Lassarote Lavall
First Referee: Marcio Albuquerque de Souza
Second Referee: Luciano Tavares da Costa
Third Referee: Maria Helena de Araújo
metadata.dc.contributor.referee4: Heveline Silva
Abstract: Supercapacitores híbridos de íons-Li (SCH-Li) são dispositivos constituídos por um eletrodo tipo bateria de íons-Li e outro do tipo capacitivo (ou pseudocapacitivo). Esses sistemas, por combinarem diferentes processos de armazenamento apresentam propriedades eletroquímicas (densidade de energia e de potência) intermediárias entre as baterias e os supercapacitores. Baseado nisso, o presente trabalho teve como objetivo a preparação de supercapacitores híbridos do tipo bateria contendo diferentes eletrodos de inserção de Li+, como materiais catódicos, LiMn2O4, LiFePO4 e LiMnPO4. Também foram estudados os comportamentos das células completas a partir do preparo de misturas físicas com carbono mesoporoso, da dopagem desses materiais, LiNixMn2-xO4 e LiMnxFe1-xPO4 (x = 0,01, 0,03, 0,05, 0,08 e 0,10), além do preparo de solução sólida LiMn0,5Fe0,5PO4. Todos esses dispositivos foram construídos com o uso da mistura de EMITFSI/LiTFSI(1M) como eletrólito e eletrodo negativo de carbono mesoporoso (MESO). A célula de LiMn2O4+20%MESO//MESO (2,0V) foi capaz de fornecer uma densidade de energia na faixa de 28-12,3 W h kg-1 e densidade de potência 12,2-366,5 W h kg-1. Sua ciclagem na maior densidade de corrente estudada (400 mA g-1) foi prejudicada, chegando a 43% após 2500 ciclos, devido à distorção irreversível do tipo Jahn Teller. Esse efeito foi minimizado com a dopagem do material, apresentando um resultado superior para o LiNi0,01Mn1,99O4, que além de proporcionar sua estabilidade de ciclagem a uma retenção de 71% após 2500 ciclos, também permitiu uma melhora na condutividade eletrônica do óxido e consequentemente, dos demais parâmetros de célula, 40,9-21,7W h kg-1 e 29-440,1W kg-1. A limitação em densidade de energia do sistema é justificada pela capacidade específica do LiMn2O4 (148 mA h g-1). Dessa maneira, o LiFePO4 nanoestruturado, com superior capacidade específica (170 mA g-1) foi testado. O sistema confeccionado LiFePO4/MESO (2,1V) teve seu desempenho limitado, atingindo 35,9-15,4 W h kg-1 e 23,2-356,6 W kg-1 devido à sua baixa condutividade intrínseca e caminho de difusão de Li+ unidimensional. Essa limitação foi superada a partir do uso de materiais dopados, LiMnxFe1-xPO4, sendo o LiMn0,05Fe0,95PO4 o material de maior destaque com 43,1-18,9W h kg-1 e 25-9-358,8W kg-1. Por fim, a limitação em energia do dispositivo híbrido foi superada mais uma vez, a partir do uso da solução sólida de LiMn0,5Fe0,5PO4, isso foi possível através da aplicação de um potencial de 2,3 V, que levou o sistema a um desempenho de 51,2-22,9W h kg-1 e 42-613,5W kg-1. Pode-se verificar que a dopagem e preparo de soluções sólidas mostraram ser estratégias eficientes no aperfeiçoamento dos materiais catódicos e na melhoria de desempenho dos dispositivos completos, raramente divulgados na literatura. O estudo desenvolvido mostrou que apesar da viscosidade, o eletrólito utilizado associado aos materiais sintetizados permitiu a construção de supercapacitores híbridos com propriedades eletroquímicas similares (e em alguns casos superiores) aos sistemas em eletrólitos aquosos e orgânicos descritos na literatura.
Abstract: Lithium-ion hybrid supercapacitors (HSC-Li) are devices based on a Li-ion battery electrode and other of a capacitive (or pseudocapacitive) material. Once these systems combine different storage mechanisms, they can present intermediate electrochemical properties (energy and power densities) of both batteries and supercapacitors. Considering this aspects, new devices were developed, called hybrid supercapacitors. In these devices, different types of energy storage mechanisms are implemented in the different electrodes. Hybrid battery-type SCs are those consisting of two different electrodes: a battery-type and a capacitive (or pseudocapacitive) one, and can meet the need for the energy density of the SCs and supplant the low power density of the batteries. Based on this, the present study aimed to prepare hybrid battery- supercapacitors containing different Li+ insertion electrodes, such as the cathodic materials, LiMn2O4, LiFePO4 and LiMnPO4. In addition, the behavior of complete cells was studied facing the preparation of physical mixtures with mesoporous carbon; doping of the materials: LiNixMn2-xO4 and LiMnxFe1-xPO4 (x = 0.01, 0.03, 0.05, 0.08 and 0.10), and the preparation of a LiMn0.5Fe0.5PO4 solid solution. All devices were built using the EMITFSI/LiTFSI (1 mol L-1) mixture as electrolyte and mesoporous carbon (MESO) as negative electrode. The LiMn2O4 + 20% MESO // MESO (2.0V) cell was able to provide energy density in the range of 28-12.3 W h kg-1 and power density 12.2-366.5 W h kg-1. Its cycling at the highest studied current density (400 mA g-1) was impaired, reaching 43% after 2500 cycles, due to the irreversible distortion of the Jahn Teller type. This effect was minimized with the doping of the material, presenting a superior result for LiNi0.01Mn1.99O4, which besides the improvement in the cycling stability with a retention of 71% after 2500 cycles, also allowed an improvement in the electronic conductivity of the oxide and consequently, on the other cell parameters such energy and power: 40.9-21.7W h kg-1 and 29-440.1W kg-1, respectively. The limitation in energy density of the system is justified by the specific capacity of LiMn2O4 (148 mA h g-1). In this way, the nanostructured LiFePO4, with superior specific capacity (170 mA g-1) was tested. The LiFePO4 // MESO (2.1V) system had limited performance, reaching 35.9-15.4 W h kg-1 and 23.2-356.6 W kg-1 due to its low intrinsic conductivity, and of one-dimensional path for Li+ diffusion. This limitation was overcome due to the use of doped materials, LiMnxFe1-xPO4, with LiMn0.05Fe0.95PO4 being the most prominent material with 43.1-18.9W h kg-1 and 25-9-358.8W kg- 1. Finally, the energy limitation of the hybrid device was overcome once again, using the LiMn0.5Fe0.5PO4 solid solution. This was possible through the application of a 2.3 V potential, which led the system to delivery 51.2-22.9W h kg-1 and 42-613.5W kg-1. It can be seen that the doping and preparation of solid solutions showed to be efficient strategies in the improvement of cathodic materials and in the improvement of the performance of complete devices, rarely reported in the literature. The developed study showed that despite the viscosity, the electrolyte, associated with the synthesized materials allowed the construction of hybrid supercapacitors with similar electrochemical properties (and in some cases superior) to the systems prepared with aqueous and organic electrolytes described in the literature.
Subject: Química inorgânica
Capacitores
Eletrodos
Eletroquímica
Baterias de lítio
Energia - densidade
Eletrólitos
Nanotecnologia
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Química
Rights: Acesso Restrito
URI: http://hdl.handle.net/1843/66794
Issue Date: 20-Jan-2020
metadata.dc.description.embargo: 20-Jan-2022
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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