Design e fabricação de protótipos de supercapacitores empregando poli(pirrol) como material ativo

Abstract

Resumo: Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a caracterização de protótipos de supercapacitores utilizando polipirrol como material ativo. Os supercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia elétrica que se destacam pela alta densidade de potência e longa vida útil. O polipirrol é um polímero condutor que possui propriedades eletroquímicas favoráveis para a formação de pseudocapacitores, que armazenam energia por meio de reações redox reversíveis. O objetivo geral do trabalho foi investigar a fabricação de dispositivos de supercapacitores com foco na otimização da produção de eletrodos e na melhoria do desempenho do dispositivo através de diferentes conFIGURAções. A metodologia utilizada envolveu o design e a impressão 3D de um invólucro para a montagem de um supercapacitor multicamada, com múltiplos eletrodos associados em paralelo; a produção de coletores de corrente em aço e a síntese de filmes de polipirrol por eletropolimerização, variando-se diferentes parâmetros; a caracterização eletroquímica dos eletrodos e dos dispositivos montados, empregando-se técnicas como voltametria cíclica, carga e descarga galvanostática e impedância eletroquímica; e a análise da morfologia dos filmes de polipirrol por microscopia eletrônica de varredura. A variação na carga de deposição, o lixamento do substrato e a agitação magnética influenciaram na morfologia e na resposta eletroquímica dos filmes de polipirrol. Foram exploradas as técnicas de caracterização envolvendo 2 eletrodos, bem como discutidas as possíveis interpretações para os resultados obtidos em dispositivos sem a presença de um eletrodo de referência. Os resultados obtidos demostraram que o invólucro impresso em 3D proporcionou maior versatilidade e redução de custos na fabricação dos supercapacitores; que a utilização de polipirrol contribuiu para a obtenção de um dispositivo de alto desempenho, com capacitâncias totais de dispositivo de até 300 mF. A conclusão do trabalho foi que a utilização de tecnologias avançadas, como a impressão 3D e a eletropolimerização, possibilitou o desenvolvimento de dispositivos de armazenamento de energia mais eficientes.

Abstract: This work presents the development and characterisation of prototype supercapacitors using polypyrrole as the active material. Supercapacitors are electrical energy storage devices that stand out for their high power density and long service life. Polypyrrole is a conductive polymer with favourable electrochemical properties for the formation of pseudocapacitors, which store energy through reversible redox reactions. The general aim of the work was to investigate the manufacture of supercapacitor devices with a focus on optimising electrode production and improving device performance through different conFIGURAtions. The methodology used involved the design and 3D printing of a casing for the assembly of a multilayer supercapacitor, with multiple electrodes associated in parallel; the production of steel current collectors and the synthesis of polypyrrole films by electropolymerisation, varying different parameters; electrochemical characterisation of the electrodes and the assembled devices, using techniques such as cyclic voltammetry, galvanostatic charge and discharge and electrochemical impedance; and analysis of the morphology of the polypyrrole films using scanning electron microscopy. Variations in deposition charge, substrate grinding and magnetic stirring influenced the morphology and electrochemical response of the polypyrrole films. Characterisation techniques involving 2 electrodes were explored, as well as discussing possible interpretations for the results obtained in devices without the presence of a reference electrode. The results obtained showed that the 3D printed enclosure provided greater versatility and cost savings in the manufacture of the supercapacitors; that the use of polypyrrole contributed to obtaining a high-performance device, with total device capacitances of up to 300 mF. The conclusion of the work was that the use of advanced technologies, such as 3D printing and electropolymerisation, made it possible to develop more efficient energy storage devices.