Otimização da relação custo/desempenho de supercapacitores baseados em poli(anilina)/derivados de carbono e eletrólitos quasi-sólidos

Abstract

Resumo: O desenvolvimento completo de um dispositivo supercapacitor é bastante desafiador pois envolve a escolha do coletor de corrente, material eletroativo, eletrólito e invólucro. Este trabalho tem como objetivo produzir um supercapacitor que seja barato e com alto desempenho observando cuidadosamente o desenvolvimento do eletrólito e eletrodo. Para isso primeiramente foi preparado um eletrólito atrativo ecologicamente baseado em alginato de sódio usando dois reticulantes diferentes (HNO3 e CaCl2) esses reticulantes foram estudados individualmente e combinados para entender os mecanismos de reticulação do hidrogel. Os eletrólitos foram testados com polianilina (PANI) como eletrodo para estudar a compatibilidade eletroquímica entre os eletrólitos preparados e PANI, sendo que o melhor eletrólito foi o HG/H_Ca que foi preparado usando os dois reticulantes juntos. O dispositivo simétrico usando PANI como eletrodo e HG/H_Ca apresentou uma capacitância específica de 15,1 F g-¹ a 0,05 mA cm-² e uma retenção de capacitância de 92% após 1100 ciclos a 0,2 mA cm-². Para melhorar a capacitância do eletrodo foram estudados grafite, nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) e grafeno para formar um eletrodo híbrido com PANI. Um planejamento cúbico de misturas ternárias com centroide simplex e a função desejabilidade de Derringer e Suich foram aplicados para otimizar a relação custo/desempenho do eletrodo avaliando a capacitância, queda ôhmica e retenção de capacitância como fatores de desempenho. A proporção otimizada foi de 0:42:58 (grafite: MWCNT: grafeno) devido ao impressionante efeito sinérgico entre MWCNT e grafeno. O dispositivo montado com eletrodo otimizado e HG/H_Ca apresentou capacitância de 23,1 mF cm-² a 1,0 mA cm-², queda ôhmica de 0,1 V e retenção de capacitância de 82% após 2.000 ciclos também a 1,0 mA cm-².

Abstract: The whole design of a supercapacitor device is quite challenging since it involves the choice of the current collector, electroactive material, electrolyte, and casing. This work aims to produce a supercapacitor that is cheap and with high performance looking carefully for the electrolyte and electrode development. For that firstly sodium alginate based eco-friendly electrolyte was prepared using two different cross-linkers (HNO3 and CaCl2). These cross-linkers were studied individually and combined to understand the crosslinking mechanisms, and the electrolytes were tested with polyaniline (PANI) as the electrode to study the electrochemical compatibility between the prepared electrolytes and PANI with the best one being the HG/H_Ca that was prepared using both cross-linkers together. The symmetrical device using PANI as the electrode and HG/H_Ca presented a specific capacitance of 15.1 F g-¹ at 0.05 mA cm-² and a capacitance retention of 92% after 1100 cycles at 0.2 mA cm-². To improve the capacitance of the electrode graphite, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and graphene were studied to form a hybrid electrode with PANI. A cubic planning of ternary mixtures with simplex centroid and the desirability function of Derringer and Suich was applied to optimize the relation cost/performance of the electrode evaluating the capacitance, ohmic drop, and capacitance retention as performance factors. The optimized proportion was 0:42:58 (graphite: MWCNT: graphene) due to the impressive synergic effect between MWCNT and graphene. The device assembled using the optimized electrode and HG/H_Ca presented a capacitance of 23,1 mF cm-² at 1,0 mA cm-², an ohmic drop of 0,1 V, and a capacitance retention of 82% after 2,000 cycles also at 1,0 mA cm-².