Construção de supercapacitores de estado quasi-sólido baseados em polímeros condutores como materiais
Resumo
Resumo: Esse trabalho traz o estudo de um eletrólito gel a partir do polímero natural alginato para a construção de um supercapacitor simétrico utilizando filmes de polipirrol (PPI) como material ativo. A síntese eletroquímica dos filmes de PPI foi estudada em função da carga de deposição. Os melhores resultados de capacitância específica e de resistência de transferência de carga foram obtidos com a carga de deposição de 500 mC cm-2. O preparo do gel de alginato foi realizado utilizando três cátions distintos (Ca2+, Zn2+, Ni2+). Os géis foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho, microscopia eletrônica de varredura e reologia. Os diferentes reticulantes demonstraram influenciar nas propriedades físico-químicas dos géis, principalmente com relação ao tamanho dos poros e viscosidade dos géis. Ainda, o sistema formado pelos géis de alginato e o filme de PPI foi caracterizado eletroquimicamente por voltametria cíclica (VC) e curvas galvanostáticas de carga e descarga (GCD). Com relação à caracterização eletroquímica, os géis apresentaram comportamento semelhante, com valores de capacitância específica de 29,68, 30,13 e 34,92 mF cm-2 a 0,3 mA cm-2 e durabilidade de 82, 84 e 92% para os géis ALG-Ca2+, ALG-Ni2+ e ALG-Zn2+, respectivamente. O gel de alginato formado com cálcio (ALG-Ca2+) demonstrou as melhores propriedades mecânicas para utilização como eletrólito gel para a construção do supercapacitor. O dispositivo simétrico foi montado em uma arquitetura coin cell e apresentou boa capacitância de célula, de 39,5 F g-1 a 0,2 A g-1 e capacitância específica de 159 F g-1 a 0,2 A g-1, com durabilidade após 2000 ciclos GCD de 70,9%. Ainda, três dispositivos foram ligados em série e demonstraram ser capazes de ligar um LED. Estudos com relação à influência da temperatura no desempenho do supercapacitor foram realizados variando a temperatura de 10 a 60°C e foram avaliados através de VC e GCD. O dispositivo apresentou aumento da magnitude de corrente do sistema observado pelas VC e aumento da capacitância com o aumento da temperatura, porém quando o sistema foi resfriado, observou-se a perda de eletroatividade quando exposto por longo período às temperaturas mais elevadas deste estudo. Abstract: This work brings the study of a gel electrolyte from the natural polymer alginate for the construction of a symmetric supercapacitor using polypyrrole films (PPy) as active material. The electrochemical synthesis of PPy films was studied as a function of the deposition charge. The best results of specific capacitance and charge transfer resistance were obtained to the deposition charge of 500 mC cm-2. The preparation of the alginate gel was performed using three distinct cations (Ca2+, Zn2+, Ni2+), which were characterized by infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, and rheology. The different crosslinkers are shown to influence the physicochemical properties of gels, mainly regarding to the pore size and gels viscosity. Also, the system formed by the alginate gels and the PPy film was electrochemically characterized by cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic chargedischarge curves (GCD). Regarding electrochemical characterization, the gels presented similar behavior, with specific capacitance values of 29.68, 30.13, and 34.92 mF cm-2 at 0.3 mA cm-2 and durability of 82, 84 e 92% to ALG-Ca2+, ALG-Ni2+, and ALG-Zn2+, respectively. Calcium alginate gel (ALG-Ca2+) has demonstrated the best mechanical properties for use as a gel electrolyte to build the supercapacitor. The symmetric device was assembled on a coin cell architecture and presented a good cell capacitance of 39.5 F g-1 at 0.2 A g-1, and a specific capacitance of 159 F g-1 at 0,2 A g-1, with the durability of 70.9% after 2000 GCD cycles. In addition, three devices were connected in series and demonstrated to be able to light up a LED. Studies regarding the influence of temperature on supercapacitor performance were performed by varying the temperature from 10 to 60°C and were evaluated using CV and GCD. The device showed an increase in the current magnitude of the system observed by the CV and an increase in capacitance with the increament of temperature, but when the system was cooled down, the loss of electroactivity of the system was observed when exposed to long periods at higher temperatures.
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