Síntese, caracterização e fabricação de eletrodos baseados em grafite, polímeros condutores e óxidos de nióbio visando scale up de supercapacitores

Abstract

Resumo: O estudo de estratégias para viabilizar métodos de fabricação simples e de baixo custo de dispositivos e/ou eletrodos para aumento de escala de produção ("scale-up") de supercapacitores se faz extremamente necessária para que essa tecnologia chegue em aplicações práticas na sociedade. A síntese e caracterização de supercapacitores baseados em óxidos de nióbio ou niobatos, grafite e polímeros condutores como materiais eletroativos de eletrodos de supercapacitores, caracterizados tanto em eletrólito aquoso (Na2SO4 0,5M) quanto em eletrólito em gel (hidrogel de alginato, polímero natural e biodegradável), são elucidados nessa tese. Esse estudo corrobora tanto para o desenvolvimento tecnológico e econômico com a utilização de matérias primas considerando disponibilidade nacional e não tóxicas, quanto para o desenvolvimento científico, visto que é baixo o volume de trabalhos utilizando óxidos de nióbio ou niobatos em supercapacitores e raros estudos da agregação dessa classe de materiais com polímeros condutores. Dessa forma, essa pesquisa se destaca nas seguintes novidades frente ao que já existe na literatura: (i) proposta de método simples de fabricação de eletrodos para supercapacitores através de um processo de prensagem dos materiais eletroativos em estado sólido ou pastoso sob malha de aço, visando facilitar potencial "scale-up" desses dispositivos; (ii) Síntese eletroquímica de polímeros condutores com seu monômero previamente prensado em malha de aço juntamente com outros materiais eletroativos como suporte, sem a necessidade de dispersar monômero em solução aquosa para respectiva eletropolimerização; (iii) Síntese, caracterização e utilização de niobato de sódio (NaNbO3) como material eletroativo em supercapacitores híbridos com grafite ou grafite e polímeros condutores. Os eletrodos prensados de grafite e NaNbO3 alcançaram as capacitâncias específicas de 9,3 ± 1,1 mF cm-2 a 0,5 mA cm-2 com retenção de 94,6% em eletrólito Na2SO4 0,5M e 9,2 ± 1,2 mF cm-2 a 0,5 mA cm-2 com retenção de 90,8% em hidrogel, ambos após 1.000 ciclos de GCD. Já os eletrodos de grafite, polipirrol e NaNbO3 obtiveram as capacitâncias específicas de 11,5 ± 1,2 mF cm-2 a 0,5 mA cm-2 com retenção de 90,9% em eletrólito Na2SO4 0,5M e 4,1 ± 1,3 a 0,5 mA cm-2 com retenção de 86,4% em hidrogel, ambos após 1.000 ciclos de GCD. Tais resultados evidenciam o potencial uso desses materiais através de métodos de síntese que facilitem a escalabilidade de eletrodos para supercapacitores.

Abstract: The strategies to enable simple and low-cost manufacturing methods of devices and/or electrodes to scale up the supercapacitors production is extremely necessary for this technology to be practically applied in society. The synthesis and characterization of supercapacitors based on niobium oxides or niobates, graphite, and conductive polymers as electrode active materials, characterized in both aqueous electrolyte (0.5 M Na2SO4) and gel electrolyte (alginate hydrogel, a natural and biodegradable polymer), are elucidated in this research. This study contributes to both technological and economic development through the use of raw materials considering national availability and non-toxicity, as well as to scientific development, given the low volume of works using niobium oxides or niobates in supercapacitors and the rarity of studies on the aggregation of this class of materials with conductive polymers. Thus, this project stands out with the following innovations, compared to existing literature: (i) proposal of a simple method for manufacturing electrodes for supercapacitors through a stamping process of the electrode materials in solid or pasty state under a steel mesh, aiming to facilitate potential scale-up of these devices; (ii) Electrochemical synthesis of conductive polymers with their monomer pre-pressed in a steel mesh together with other electrode materials as support, without the need to disperse the monomer in an aqueous solution for respective electropolymerization; (iii) Synthesis, characterization, and utilization of sodium niobate (NaNbO3) as an electrode active material in hybrid supercapacitors with graphite or graphite and conductive polymers. The pressed electrodes of graphite and NaNbO3 achieved specific capacitances of 9.3 ± 1.1 mF cm-2 at 0.5 mA cm-2 with 94.6% retention in 0.5 M Na2SO4 electrolyte and 9.2 ± 1.2 mF cm-2 at 0.5 mA cm-2 with 90.8% retention in hydrogel, both after 1,000 GCD cycles. Meanwhile, electrodes of graphite, polypyrrole, and NaNbO3 obtained specific capacitances of 11.5 ± 1.2 mF cm-2 at 0.5 mA cm-2 with 90.9% retention in 0.5 M Na2SO4 electrolyte and 4.1 ± 1.3 mF cm-2 at 0.5 mA cm-2 with 86.4% retention in hydrogel, both after 1,000 GCD cycles. Such results highlights the potential use of these materials through elucidated synthesis methods that facilitate the scalability of electrodes for supercapacitors.