Obtenção e estudo de óxidos de alta entropia para uso em baterias de íons sódio
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Dissertação de mestrado
Título alternativo
Synthesis and study of high-entropy oxides for use in sodium-ion batteries
Primeiro orientador
Membros da banca
Paulo Fernando Ribeiro Ortega
Wagner da Nova Mussel
Wagner da Nova Mussel
Resumo
Neste trabalho, foram sintetizados óxidos de alta entropia com estrutura lamelar por meio do método Pechini adaptado, com o objetivo de desenvolver novos materiais para aplicação em dispositivos de armazenamento de energia. A proposta baseou-se na combinação de múltiplos cátions metálicos em uma única matriz cristalina, explorando o efeito da entropia configuracional para estabilizar fases complexas, incluindo metais inseridos na rede cristalina ainda não reportados na literatura. Foram obtidos quatro materiais distintos, nomeados: OAE-ExMn 700 °C (Na1,16[Mn0,304Ni0,11Co0,141Fe0,115Mg0,112Nb0,104Li0,113]O2), OAE-1:1 900 °C (Na1,17[Mn0,49Fe0,36Mg0,112Nb0,072Li0,078]O2), OAE-2/3 700 °C (Na0,73[Mn0,52Fe0,38Nb0,01 Li0,086]O2) e OAE-2/3 900 °C (Na0,72[Mn0,52Fe0,38Nb0,016Li0,08]O2), os quais foram caracterizados por técnicas estruturais, morfológicas e eletroquímicas em meio não aquoso.
As análises revelaram que os materiais apresentaram estrutura lamelar e, em alguns casos, ocorrência de segregação de fase do nióbio, resultando na formação de niobato de sódio, especialmente nas amostras com deficiência de sódio. Apesar dessa separação de fase, os materiais demonstraram desempenho eletroquímico significativo. As capacidades máximas específicas alcançadas foram de 83 mAh·g⁻¹, 46 mAh·g⁻¹, 97 mAh·g⁻¹ e 73 mAh·g⁻¹, respectivamente, para os óxidos mencionados, sob taxa de carga e descarga de 0,2C.
Os resultados obtidos indicam que os óxidos de alta entropia sintetizados apresentam características estruturais e eletroquímicas promissoras, com exceção da amostra OAE-1:1 900 °C, cuja capacidade máxima foi limitada a 46 mAh·g⁻¹. Os demais óxidos apresentaram alta reversibilidade, elevada eficiência e boa capacidade de retenção após 100 ciclos em taxa 1C. No entanto, todos os materiais mostraram indícios de degradação, provavelmente associada à formação de falhas de empilhamento induzidas por tensões elevadas durante o funcionamento em altas taxas. Esses resultados indicam que os materiais sintetizados são fortes candidatos para aplicação como eletrodos em baterias recarregáveis, especialmente em dispositivos de inserção iônica, como as baterias de íons sódio.
Abstract
In this work, high-entropy oxides with layered structures were synthesized using a modified Pechini method, aiming to develop new materials for application in energy storage devices. The approach was based on combining multiple metal cations into a single crystalline matrix, exploring the effect of configurational entropy to stabilize complex phases, including metals incorporated into the crystal lattice that have not yet been reported in the literature. Four distinct materials were obtained, named: OHE-ExMn 700 °C (Na1,16[Mn0,304Ni0,11Co0,141 Fe0,115Mg0,112Nb0,104Li0,113]O2), OHE-1:1 900 °C (Na1,17[Mn0,49Fe0,36Mg0,112Nb0,072Li0,078]O2), OHE-2/3 700 °C (Na0,73[Mn0,52Fe0,38Nb0,01Li0,086]O2) e OHE-2/3 900 °C (Na0,72[Mn0,52Fe0,38 Nb0,016Li0,08]O2), and were characterized using structural, morphological, and electrochemical techniques in non-aqueous media.
Analyses revealed that the materials exhibited a layered structure and, in some cases, phase segregation of niobium, leading to the formation of sodium niobate, particularly in samples with sodium deficiency. Despite this phase separation, the materials showed significant electrochemical performance. The specific capacities achieved were 83 mAh·g⁻¹, 46 mAh·g⁻¹, 97 mAh·g⁻¹, and 73 mAh·g⁻¹, respectively, for the aforementioned oxides, under a charge/discharge rate of 0.2C.
The results indicate that the synthesized high-entropy oxides exhibit promising structural and electrochemical properties, except for the sample OAE-1:1 900 °C, whose maximum capacity was limited to 46 mAh·g⁻¹. The other oxides demonstrated high reversibility, elevated efficiency, and good capacity retention after 100 cycles at a 1C rate. However, all materials showed signs of degradation, probably associated with the formation of stacking faults induced by high mechanical stress during high-rate cycling. These findings suggest that the synthesized materials are strong candidates for application as electrode materials in rechargeable batteries, particularly in ion-insertion devices such as sodium-ion batteries.
Assunto
Físico-química, Baterias, Óxidos, Íons, Sódio, Eletroquímica, Pilhas e baterias, Entropia, Energia – Armazenamento
Palavras-chave
Óxidos de alta entropia, Método Pechini, Estrutura lamelar, Baterias de íons sódio, Caracterização eletroquímica, Capacidade máxima específica