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Type: DISSERTAÇÃO DIGITAL
Degree Level: Mestrado
Title: Transition metal oxides and carbide as active electrodes for electrochemical capacitors : Óxidos de metais de transição e carbeto como eletrodos ativos para capacitores eletroquímicos
Title Alternative: Óxidos de metais de transição e carbeto como eletrodos ativos para capacitores eletroquímicos
Author: Soares, Davi Marcelo, 1989-
Advisor: Zanin, Hudson Giovani, 1983-
Abstract: Resumo: O desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energias renováveis é um campo estratégico para setores tais como eletroeletrônico, aeroespacial e automotivo. Em pesquisa, técnicas para produção de materiais para armazenamento de energia eficiente tem sido objeto de estudos por grupos de pesquisa por todo o mundo. Neste âmbito, supercapacitores, também conhecidos como capacitores eletroquímicos, tem ocupado local de destaque, haja vista sua alta densidade de potência. Esta classe de armazenadores de energia tem por característica um processo relativamente simples de montagem, o qual constitui-se de dois eletrodos -- terminais positivo e negativo -- um meio eletrolítico, e um separador para impedir o curto circuito dos eletrodos mas permitir a troca iônica no meio eletrolítico. No tocante às linhas de pesquisa para capacitores eletroquímicos, muitos esforços tem sido colocados na busca por novos materiais de eletrodos e meios eletrolíticos. Por exemplo, no que se refere aos materiais para eletrodos, óxidos de metais de transição têm chamado atenção devido a ocorrência de reações faradáicas ou de oxi-redução. Tais reações proporcionam aumento na capacitância, mas na maioria dos casos não conferem ao dispositivo uma longa vida útil. Portanto, o objetivo deste trabalho é apresentar dos compostos que possuem concomitantemente reações redox e longevidade na operação. Os dois materiais sintetizados são: i) composto de óxido (WxOy) e carbeto de tungstênio (W2C), e ii) composto de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) decorados com pentóxido de nióbio (Nb2O5) em substrato de alumínio com eletrodeposição de níquel. Os materiais sintetizados foram crescidos pela técnica deposição química em fase vapor (CVD). Posterior a síntese, técnicas de caracterização foram empregadas para avaliar a morfologia, características físico-químicas e comportamento eletroquímico dois compostos. Os resultados experimentais do dispositivo com eletrodo de óxido e carbeto de tungstênio mostram que a capacitância aumentou 119% ao longo da ciclabilidade para o eletrólito de Na2SO4. Já a eficiência também aumentou, de 59% no primeiro ciclo para 85% após 10.000 ciclos de carga e decarga com corrente constante (GCD) no eletrólito de Li2SO4. Quanto ao composto de MWCNT decorado com Nb2O5, a capacitância aumentou cerca de 34 vezes quando comparada com a de um eletrodo composto apenas por MWCNT. Portanto, os resultados expressos neste trabalho situam ambos os materiais sintetizados como candidatos para dispositivos supercapacitores com materiais ambientalmente sustentáveis, aliando características faradáicas e longo ciclo de vida

Abstract: The development of renewable energy storage systems is a cornerstone field for sectors such as electronics, aerospace and automobile. In research, techniques for producing efficient energy storage materials have drawn attention of researchers allover the world. Within this field, supercapacitors, also known as electrochemical capacitors, occupy special position, due to its high power density. This family of energy storage devices presents simple assembly, which is constituted by two electrodes -- positive and negative terminals -- an electrolytic medium, and a membrane, also known as separator, that plays the role of avoiding short circuit of positive and negative terminals, but allows ionic exchange in the electrolyte. Regarding the research efforts for supercapacitors, it is currently focused in the development of new electrode materials and electrolytes. For instance, within the materials tree for electrodes, transition metal oxides have called the attention due to faradaic or oxidation and reduction reactions. These reactions provide capacitance enhancement, but in most cases they do not allow long lifespan to the device. Therefore, the purpose of this work is to present materials that have both redox reactions and longer lifespan. The two synthesized electrodes are namely: i) tungsten oxide (WxOy) and carbide W2C composite, and ii) composite of multi wall carbon nanotubes (MWCNT) decorated with niobium pentoxide (Nb2O5). Both materials were grown by chemical vapor deposition (CVD) technique. Following the synthesis, characterization techniques were employed to evaluate the morphology, physical-chemical characteristics and electrochemical behavior of the composites. The experimental results of tungsten oxide and carbide show that the capacitance increased 119% during cyclability for Na2SO4 electrolyte. The efficiency also improved, from 59% at first cycle to 85% after 10,000 charge-discharge with constant current (GCD) cycles for Li2SO4 electrolyte. About the composite of MWCNT decorated with Nb2O5, the capacitance increased more than 34 times compared to an electrode made only out of MWCNT (without decoration). Therefore, the results reported herein present that both materials synthesized are candidates towards renewable supercapacitor devices, with faradaic behavior and long lifespan
Subject: Capacitores
Nióbio
Tungstênio
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: SOARES, Davi Marcelo. Transition metal oxides and carbide as active electrodes for electrochemical capacitors: Óxidos de metais de transição e carbeto como eletrodos ativos para capacitores eletroquímicos. 2018. 1 recurso online (78 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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