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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31554| Título: | Desenvolvimento de aditivos a partir de grafite esfoliado e funcionalizado para aplicações em baterias chumbo-ácido |
| Título(s) alternativo(s): | Development of additives from exfoliated and functionalized graphite for applications in lead-acid batteries |
| Autor(es): | Santos, Eduardo Pereira Miranda dos |
| Orientador(es): | Floriano, Joao Batista |
| Palavras-chave: | Baterias elétricas Carbono - Aditivos Óxidos - Síntese Veículos elétricos híbridos Energia - Armazenamento Eletroquímica Electric batteries Carbon - Additives Oxides - Synthesis Hybrid electric vehicles Energy storage Electrochemistry |
| Data do documento: | 1-Mar-2023 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Curitiba |
| Citação: | SANTOS, Eduardo Pereira Miranda dos. Desenvolvimento de aditivos a partir de grafite esfoliado e funcionalizado para aplicações em baterias chumbo-ácido. 2023. Dissertação (Mestrado em Químíca) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2023. |
| Resumo: | As baterias chumbo-ácido se apresentam como um dos principais dispositivos dentre os acumuladores de energia existentes. Essas baterias, que tem sua principal aplicação em automóveis, apresentam características como baixo custo de produção, alta reciclagem e baixa autodescarga. Entretanto, para sistemas avançados, como em veículos híbridos elétricos (HEV), essas baterias apresentam necessidade de aperfeiçoamentos devido a falhas prematuras ocasionadas pelo acúmulo de cristais de sulfato de chumbo nas placas negativas quando aplicadas a regimes de alta taxa de estado parcial de carga (HRPSoC). Uma das formas para se evitar isto é a adição de pequenos teores de materiais carbônicos como aditivos na composição das placas negativas. Contudo, muitos desses materiais à base de carbono, como por exemplo o grafeno, apresentam dificuldades para aplicação devido a rotas de produção de alto custo. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo realizar a síntese do óxido de grafite (GrO), do óxido de grafeno esfoliado por micro-ondas (MEGO) e do óxido de grafeno funcionalizado esfoliado por micro-ondas (α-MEGO) utilizando-se rotas alternativas de esfoliação e oxidação de grafite e avaliar o desempenho desses materiais como aditivos na composição da massa ativa negativa (NAM). As caracterizações realizadas no GrO, sintetizado a partir do método de Hummers modificado, mostraram uma eficiente oxidação e formação de defeitos na cadeia carbônica, levando a um aumento de 21 % da área ativa e uma melhora da estabilidade da sua dispersão em água se comparado ao grafite. Se tratando do MEGO, sintetizado a partir da redução por micro-ondas, identificou-se também uma síntese eficiente, obtendo-se um material parcialmente reduzido com grupamentos oxigenados em sua estrutura, levando a um aumento de 544 % da área ativa se comparado ao GrO. Com relação ao α-MEGO, identificou-se um processo de redução térmica da amostra, obtendo-se um material com características morfológicas e de organização da cadeia carbônica parecidas com óxidos de grafeno reduzidos (rGO), levando a um aumento de 17 % da área ativa do material se comparado ao MEGO. As placas negativas produzidas convencionais e contendo os aditivos grafite, GrO, MEGO e α-MEGO apresentaram características morfológicas e de composição similares. Em termos de macroporosidade, as placas negativas contendo os aditivos MEGO e α-MEGO apresentaram resultados superiores com relação as placas convencionais e contendo grafite e GrO. A partir de testes elétricos realizados em células P|N|P, observou-se que os aditivos carbônicos não influenciaram diretamente nos resultados de capacidade e de reserva de capacidade. Nos testes de durabilidade, as células contendo α-MEGO apresentaram melhoria de 39 % em comparação as células convencionais. Isto comprova os benefícios trazidos pelos aditivos de carbono na composição de placas negativas sob regime de alta taxa de estado parcial de carga e o potencial do aditivo sintetizado quando aplicado em baterias chumbo-ácido para sistemas avançados. |
| Abstract: | Lead-acid batteries are one of the main devices among existing energy storage devices. These batteries, which have their main application in automobiles, have characteristics such as low production cost, high recycling and low self-discharge. However, for advanced systems, such as in hybrid electric vehicles (HEV), these batteries need improvement due to premature failures caused by the accumulation of lead sulfate crystals on the negative plates when applied at a high rate of partial state of charge (HRPSoC). One of the ways to avoid this is the addition of small amounts of carbonic materials as additives in the composition of the negative plates. However, many of these carbon-based materials, such as graphene, are difficult to apply due to high-cost production routes. Therefore, this work aims to perform the synthesis of graphite oxide (GrO), microwave exfoliated graphene oxide (MEGO) and microwave exfoliated functionalized graphene oxide (α-MEGO) using alternative routes of exfoliation and oxidation of graphite and evaluate the performance of these materials as additives in the composition of the negative actives mass (NAM). The characterization carried out on GrO, synthesized from the modified Hummers method, showed efficient oxidation and formation of defects in the carbon chain, leading to a 21 % increase in the active area and an improvement in the stability of its dispersion in water compared to the graphite. In the case of MEGO, synthesized from microwave reduction, an efficient synthesis was also identified, obtaining a partially reduced material with oxygenated groups in its structure, leading to an increase 544 % of the active area compared to the GrO. About α-MEGO, a process of thermal reduction of the sample was identified, obtaining a material with morphological characteristics and organization of the carbon chain similar to reduced graphene oxides (rGO), leading to a 17 % increase in active area of the material compared to MEGO. Negative plates produced conventionally and containing graphite, GrO, MEGO and α-MEGO additives showed similar morphological and compositional characteristics. In terms of macroporosity, negative plates containing MEGO and α-MEGO additives showed superior results compared to conventional plates and plates containing graphite and GrO. From electrical tests carried out in P|N|P cells, it was observed that the carbonic additives did not directly influence the results of capacity and capacity reserve. In durability tests, cells containing α-MEGO showed a 39 % improvement compared to conventional cells. This proves the benefits brought by carbon additives in the composition of negative plates under a high rate of partial state of charge and the potential of the synthesized additive when applied in lead-acid batteries for advanced systems. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/31554 |
| Aparece nas coleções: | CT - Programa de Pós-Graduação em Química |
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