Desenvolvimento e otimização de baterias de lítio-enxofre baseadas em compósitos de enxofre com materiais de carbono porosos

dc.creatorLuan Teixeira Cardoso
dc.date.accessioned2025-08-04T16:51:50Z
dc.date.accessioned2025-09-08T23:28:26Z
dc.date.available2025-08-04T16:51:50Z
dc.date.issued2025-03-28
dc.description.abstractLithium-sulfur batteries are promising energy storage devices for various commercial applications, especially in the automotive sector, given their high theoretical energy density and capacity. However, crucial problems such as the shuttle effect, which promote the irreversible loss of active material and anode passivation, still prevent large-scale production of this type of battery. Therefore, in this work, materials for cathodes based on a solvent-free synthesis were proposed, that sought to mitigate the adversities related to the durability of Li-S devices and were environmentally friendly. A systematic study of the configurations of this type of system was also carried out to determine the one that would provide the construction of Li-S cells with the best electrochemical performance. Finally, a gel polymer electrolyte was produced for application in these batteries. The results obtained for the synthesized materials demonstrated the impact of the degree of sulfur incorporation on the electrochemical performance. The material incorporated in a 1:1 sulfur/carbon mass ratio exhibited capacities of 797 and 309 mAh g-1 under rates of 0.1C and 2C, respectively. The material incorporated in a 2:1 mass ratio presented capacities of 541 and 114 mAh g-1 under the same current densities. This shows that saturating the carbon host with sulfur is not the ideal strategy to achieve high values. Regarding the battery optimization process, it was found that the production of cathodes by spreading, the use of coin cells and the use of a carbon-coated current collector were decisive in achieving satisfactory electrochemical performance. The gel polymer electrolyte studied in this work was produced from a poly (ionic liquid), ionic liquid and lithium salt. Electrochemical impedance spectroscopy tests under different temperatures showed ionic conductivities of 8.6 mS cm-1 at 105 ºC and 2.2 mS cm-1 at 35 ºC. The electrochemical stability window of the electrolyte evaluated by linear sweep voltammetry was 2.35 V, wide enough for application in lithium-sulfur batteries.
dc.description.sponsorshipOutra Agência
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/1843/83971
dc.languagepor
dc.publisherUniversidade Federal de Minas Gerais
dc.rightsAcesso Aberto
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pt/
dc.subjectFísico-química
dc.subjectEletroquímica
dc.subjectBaterias de lítio
dc.subjectEnxofre
dc.subjectPolieletrólitos
dc.subject.otherBateria de Li-S
dc.subject.otherCarbono poroso
dc.subject.otherMétodo livre de solvente
dc.subject.otherOtimização de baterias
dc.subject.otherEletrólito polimérico gel
dc.titleDesenvolvimento e otimização de baterias de lítio-enxofre baseadas em compósitos de enxofre com materiais de carbono porosos
dc.typeDissertação de mestrado
local.contributor.advisor1Rodrigo Lassarote Lavall
local.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9658097765240301
local.contributor.referee1Cinthia de Castro Oliveira
local.contributor.referee1Tulio Matencio
local.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/5173282973584460
local.description.resumoAs baterias de lítio-enxofre são dispositivos de armazenamento de energia promissores para diversas aplicações comerciais, especialmente no setor automotivo, tendo em vista as altas densidade de energia e capacidade teórica. No entanto, problemas cruciais como o shuttle effect, que promovem a perda irreversível de material ativo e passivação do ânodo, ainda impedem uma produção em larga escala desse tipo de bateria. Dessa forma, neste trabalho foram propostos materiais para cátodos baseados em síntese solvent-free que buscassem mitigar as adversidades relacionadas a vida útil dos dispositivos de Li-S e fossem ambientalmente favoráveis. Também foi feito estudo sistemático das configurações desse tipo de sistema para determinar a que proporcionasse a construção de células de Li-S com melhor desempenho eletroquímico. Por fim, foi produzido um eletrólito polimérico gel para aplicação nesse tipo de bateria. Os resultados obtidos para os materiais sintetizados demonstraram o impacto do grau de incorporação de enxofre no desempenho eletroquímico. O material incorporado em proporção mássica 1:1 de enxofre/carbono exibiu capacidades de 797 e 309 mAh g-1 sob taxas de 0,1C e 2C, respectivamente. Já o material incorporado em proporção mássica 2:1 apresentou capacidades de 541 e 114 mAh g-1 sob as mesmas densidades de corrente. Isso mostra que a saturação do hospedeiro de carbono com enxofre não é a estratégia ideal para se alcançar altos valores. Quanto ao processo de otimização das baterias, constatou-se que a produção de cátodos por espalhamento, emprego de coin cell e uso de coletor de corrente revestido com carbono foram determinantes para se atingir um desempenho eletroquímico satisfatório. Já o eletrólito polimérico gel estudado neste trabalho foi produzido a partir de um poli (líquido iônico), líquido iônico e sal de lítio. Os testes de espectroscopia de impedância eletroquímica sob diferentes temperaturas mostraram condutividades iônicas de 8,6 mS cm-1 a 105 ºC e 2,2 mS cm-1 a 35 ºC. A janela de estabilidade eletroquímica do eletrólito avaliada por voltametria linear foi de 2,35 V, ampla o suficiente para aplicação em baterias de lítio-enxofre.
local.publisher.countryBrasil
local.publisher.departmentICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICA
local.publisher.initialsUFMG
local.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química

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