Development of electrochemical capacitors for energy storage

Orientador: Hudson Giovani ZaninDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: As fontes renováveis de Energia estão se tornando cada vez mais representativas na matriz energética brasileira. Como as fontes de energia solar e eólica são intermitentes e a suas produções nem sempre são compatíveis com a demanda da sociedade, o manejo de Energia torna-se uma tarefa fundamental. O armazenamento de Energia tem se tornado uma missão de extrema relevância para sociedade moderna, principalmente por conta da nossa necessidade de redução de poluentes, da demanda relativa à mobilidade urbana e aos eletrônicos móveis como celulares, computadores, etc. Os dispositivos de maior destaque para estas aplicações são baterias e capacitores eletroquímicos. Estes últimos são sistemas de Potência que permitem carga e descarga muito rápidas e alta longevidade (>> 100 mil ciclos de carga e descarga) devido sua elevada eficiência (~100%) e baixas resistências ôhmicas e, por isso, têm chamado muito a atenção. Por outro lado, comparado com baterias de Lítio-íon recarregáveis, os capacitores eletroquímicos armazenam aproximadamente um trinta avos da densidade de Energia. Por isso, este trabalho é focado em colaborar com o aumento de Energia destes dispositivos mantendo suas características benéficas como, por exemplo, rápido tempo de carga, que pode ser até três ordens de grandeza menor do que baterias de dimensões similares. De fato, estes dispositivos capacitores eletroquímicos têm sido importante objeto de estudos na área da pesquisa e tem o objetivo de atuar como uma tecnologia complementar as baterias com nichos de aplicações específicos. Portanto, nossa abordagem foi desenvolver materiais e construir dispositivos com maiores densidades de Energia e que mantivessem as características vantajosas dos capacitores eletroquímicos como Potência e longevidade, através da adição de componentes pseudocapacitivas. Neste trabalho sintetizamos nanotubos de carbono de alta área superficial sobre malhas de aço inox e as decoramos com óxidos metálicos, que trazem componentes típicas de bateriais e pseudocapacitores (faradáicas) ao sistema. Tais materiais nanoestruturados porosos apresentam boa condutividade elétrica com rápida taxa de transferência de carga na interface eletrodo eletrólito, o que proporciona alta pseudocapacitância e boa estabilidade química associada à elevada área eletroquimicamente ativaAbstract: Renewable energy sources are becoming representative in the Brazilian energy matrix. As solar and wind energy are intermittent and their production is not always compatible with society's demand, energy management is a fundamental task. The storage of energy has become a mission of extreme relevance for modern society, mainly due to our need to reduce pollutants, demand for urban mobility and mobile electronics such as cell phones, laptop, etc. The most prominent devices for these applications are batteries and electrochemical capacitors. The latter are Power systems that allow immediate loading and unloading, therefore have attracted attention as the pace for discovering new forms of Energy production. In fact, these devices have been important object of studies in the research area due to their efficiency (~ 100%), long service life (>> 100 thousand charge / discharge cycles) and low ohmic resistances. On the other hand, compared to rechargeable lithium-ion batteries, the electrochemical capacitors store a thirty-eighth of the energy density. Thus, this work is focused on energy increase of these devices maintaining their beneficial characteristics such as, fast charging time, which can be up to three orders of magnitude smaller than batteries of similar dimensions. In this way, electrochemical batteries and capacitors are complementary technologies with specific applications. Our approach was to develop materials and construct devices that retained the advantageous characteristics of electrochemical capacitors such as Power and longevity, with an addition of pseudo-capacitive components. In this work we have synthesized high surface area carbon nanotubes on stainless steel meshes and decorated with metallic oxides, which bring faradaic components to the system. Such porous nanostructured materials, with high electrochemical active area have good electrical conductivity with fast charge transfer rate at the electrolyte electrode interface, providing high pseudocapacitance and chemical stabilityMestradoEnergia EletricaMestre em Engenharia Elétric