Orientador: Gustavo Doubek

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Motivados pela necessidade da diminuição de emissões de gases do efeito estufa, a substituição do sistema de combustão interna por baterias, tem recebido cada vez mis atenção. Nesse sentido, as baterias de íons de lítio têm se mostrado uma alternativa a melhor atrativa para a contrucao do...

Resumo: Motivados pela necessidade da diminuição de emissões de gases do efeito estufa, a substituição do sistema de combustão interna por baterias, tem recebido cada vez mis atenção. Nesse sentido, as baterias de íons de lítio têm se mostrado uma alternativa a melhor atrativa para a contrucao do motor eletrico, entretanto os bancos de baterias em veículos elétricos atuais ainda conferem uma autonomia limitada. No entanto, as baterias lítio-oxigênio vêm atraindo atenção da comunidade científica por apresentar em teoria uma densidade energética específica cerca de dez vezes maior do que as atuais baterias lítio-íon, chegando a ser comparável até à densidade energética dos combustíveis fósseis. Nesse cenário o presente trabalho de pesquisa visa avaliar o desempenho com e sem a funcionalização do plasma oxigênio em baterias de Li-O2, utilizando novos materiais baseado em nanotubos de carbono como cátodo. Nós relatamos que o tratamento ácido no eletrodo de nanotubo de carbono não degradou o cátodo e ainda melhorou a molhabilidade e a fase tripla reacional. Foi estudado o sistema bateria Li-O2 com DMSO/LiClO4 como eletrólito e o lítio metálico como o referência. O eletrodo com o tratamento ácido apresentou o melhor resultado de capacidade de descarga (2804 mAh g-1) quase 3 vezes maior que o material sem o tratamento (1062 mAhg-1). O ácido criou defeitos na estrutura do nanotubo, criando regiões mais reativas, com isso aumentando o valor de capacidade, porém o sistema provou ser não reversível. Ao limitar a capacidade de descarga para 500 mAh g-1, foi observada uma melhora na ciclagem, no entanto, o dispositivo não atingiu um número satisfatório de ciclos, e o sobrepotencial da carga aumentou ao longo dos ciclos. Com o intuito de investigar as razões para tais respostas várias caracterizações ex-situ foram realizadas, sendo notória a grande formação de Li2CO3, o que está de acordo com a baixa ciclabilidade do dispositivo. Esta formação de Li2CO3 também foi observada ao realizar um estudo ex-situ, variando o tempo de descarga. Nesta análise final foi possível verificar que o carbonato de lítio é continuamente formado ao longo da descarga, formando-se também entre os nanotubos de carbono que resultou na formação de uma camada sólida e contínua de produto de descarga, impossibilitando a ciclabilidade do dispositivo

Abstract: Driven by the need for the reduction of greenhouse effect gas emissions, the replacement of the supply system of automotive vehicles of internal combustion by electric or hybrid has recently received considerable attention. On these terms the lithium-ion batteries arose as the best...

Abstract: Driven by the need for the reduction of greenhouse effect gas emissions, the replacement of the supply system of automotive vehicles of internal combustion by electric or hybrid has recently received considerable attention. On these terms the lithium-ion batteries arose as the best alternative, however the current technologies still grant limited autonomy to these vehicles. In the research field, the lithium-air batteries have been drawing efforts for showing a specific energy density around three times greater than the current batteries in such a way that it can be compared even to the fossil fuels energy density. In this scenario, the present work aims to evaluate the performance with and without the functionalization of oxygen plasma in Li-O2 batteries using new materials based on carbon nanotubes as cathode. We report a pretreatment with acid on the carbon nanotube that not degrade the cathode and improve the wettability and the reactional triple phase. This cathode perform in Li-O2 battery with DMSO/LiClO4 as the electrolyte, present the best discharge capacity result (2804 mAh g-1) almost 3x higher than as-grow (1062 mAhg-1). The acid created defects in the structure of the nanotube, creating more reactive regions, but the system proved to be non-reversible. By limiting the discharge capacity to 500mAh g-1, an improvement in the cycling was observed, however, the device did not reach a satisfactory number of cycles, and the charge overpotential increased over the cycles. In order to investigate several characterizations analyzes ex situ were performed, and it was notice a large formation of Li2CO3, which is in accordance with the low cyclability for the device. This Li2CO3 formation was also observed when performing an ex-situ study following the discharge of the battery for different times. In this final analysis it was possible to verify that the lithium carbonate is continuously formed along the discharge, forming also between the CNTs which resulted in the formation of a solid and continuous layer of the discharge product

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