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http://hdl.handle.net/1843/83350
Type: | Dissertação |
Title: | Carbonos mesoporosos incorporados com enxofre para baterias Li-S: síntese, caracterização e estudo de viabilidade técnica e econômica preliminar |
Authors: | Keiliane Silva dos Santos |
First Advisor: | Ana Paula de Carvalho Teixeira |
First Co-advisor: | Paula Sevenini Pinto |
metadata.dc.contributor.advisor-co2: | Rayane Cristian Ferreira Silva |
First Referee: | Marcelo Machado Viana |
Second Referee: | Tulio Matencio |
Abstract: | Este trabalho relata o uso de carbonos mesoporosos incorporados (CMs) derivados da biomassa tanino obtidos por meio do método livre de solvente e incorporados com enxofre para aplicações em baterias de Li-S. A incorporação de enxofre foi realizada utilizando o método difusão por fusão que apresenta uma série de variáveis exploradas na literatura, entre as quais destaca-se do tipo de reator utilizado, a quantidade de enxofre incorporada, o uso de uma etapa adicional de aquecimento e as propriedades texturais do material de suporte utilizado. Dessa forma, buscou-se entender como cada uma dessas variáveis impacta na performance eletroquímica do material. CM e CMa, este último material derivado da ativação física de CM com CO2, apresentaram volume de poros de 0,56 e 0,85 cm3 g-1 e área superficial específica de 668 e 1180 m2 g-1, respectivamente. O tipo de reator utilizado, divididos entre pressurizados e não pressurizados, apontou que a pressão do sistema impacta no resultado, com materiais obtidos nos sistemas pressurizados apresentando capacidades iniciais entre 783 e 907 mAhgS-1, enquanto aquele obtido no sistema não pressurizado apresentou capacidade inicial de 501 mAhgS-1. Já a quantidade de enxofre, que foi variada entre 25% e 66% em massa de enxofre, mostra que a quantidade de S de 50% é a proporção que melhor combina quantidade de material ativo com performance eletroquímica, resultando na capacidade inicial de 783 mAhgS-1. O uso do material ativado CMa, se comparado com CM, apresentou queda de capacidade específica, caindo de 783 mAhgS-1 para 504 mAhgS-1. Isso pode ser atribuído ao confinamento das espécies nos microporos, canais onde não existe espaço para acomodar as mudanças de volume da reação. A etapa adicional de aquecimento a 300°C é utilizada principalmente para remover enxofre superficial do material de carbono, o que ocorre de fato. Entretanto, se comparado ao material sem a etapa de aquecimento adicional, o material apresenta menor capacidade, correspondente a 765 mAhgS-1. O estudo preliminar de viabilidade técnica indica que tecnicamente, a tecnologia é viável. Do ponto de vista econômico, preliminarmente, o material apresenta custos próximos daqueles análogos disponíveis comercialmente. Assim, por meio desse trabalho pode-se entender a influência na performance eletroquímica de cada uma das variáveis de incorporação de enxofre nos CMs obtidos. Além disso, o estudo preliminar de viabilidade indica que o escalonamento do processo é viável, sendo possível obtenção de maiores quantidades de material por batelada. |
Abstract: | This work reports the use of mesoporous carbons (CMs) derived from tannin biomass obtained through the solvent-free method and therefore incorporated with sulfur for applications in Li-S batteries. Sulfur incorporation was performed using the melt diffusion method, which presents a series of variables explored in the literature, including the type of reactor used, the amount of sulfur incorporated, the use of an additional heating step and the textural properties of the support material used. Thus, this work sought to understand how each of these variables impacts the electrochemical performance of the material. CM and CMa, the latter derived from the physical activation of CM with CO2, presented volume of 0.56 and 0.85 cm3 g-1 and specific surface area of 668 and 1180 m2 g-1, respectively, with high surface area and pore volume, which makes them promising for applications in Li-S batteries, being able to accommodate the element and retain polysulfides in the pores. The type of reactor used, divided between pressurized and unpressurized, showed that the pressure of the system impacts on the result, with materials obtained in pressurized systems presenting initial capacities between 783 and 907 mAhgS-1, while that obtained in the unpressurized system presented initial capacity of 501 mAhgS-1. The amount of sulfur, which ranged between 25% and 66% by mass of sulfur, shows that the amount of S of 50% is the best proportion as it combines the amount of active material with electrochemical performance, resulting in the initial capacity of 783 mAhgS-1. The use of the activated material CMa, compared to CM, showed a decrease in specific capacity, decreasing from 783 mAhgS-1 to 504 mAhgS-1. This can be attributed to the confinement of the species in the micropores, channels where there is space to accommodate the volume changes during the reaction. The additional step of heating to 300°C is mainly used to remove surface sulfur, which in fact occurs. However, compared to the material without the additional heating step, the material has a lower capacity, corresponding to 765 mAhgS-1. The preliminary technical feasibility study indicates that technically, the technology is feasible. From an economic point of view, preliminarily, the material has costs close to those of commercially available analogues. Thus, through this work it is possible to understand the influence on the electrochemical performance of each of the sulfur incorporation variables in the CMs obtained. In addition, the preliminary feasibility study indicates that the scaling of the process is feasible, and it is possible to obtain larger quantities of material per batch. |
Subject: | Inovações tecnológicas Eletroquímica Baterias de lítio Carbono Enxofre Biomassa Síntese Estudos de viabilidade |
language: | por |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.department: | ICEX - INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Inovação Tecnológica e Biofarmacêutica |
Rights: | Acesso Aberto |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/83350 |
Issue Date: | 28-Apr-2025 |
Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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