Materiais nanoestruturados para eletrodo e eletrólito de supercapacitores

Neste trabalho capacitores eletroquímicos baseados em materiais nanoestruturados de carbono e líquidos iônicos foram estudados por espectroscopia de impedância, voltametria cíclica e ciclos galvanostáticos de carga e descarga. Previamente ao estudo dos capacitores eletroquímicos, líquidos iônicos com diferentes cátions foram caracterizados para a seleção de uma classe destes materiais com propriedades mais promissoras para o uso como eletrólito em dispositivos de armazenamento de energia. O líquido iônico 1-Butil-2,3-dimetilimidazólio bis(trifluorometilsulfonil)imida foi escolhido, entre as amostras estudadas, por apresentar condutividade iônica na ordem de mS.cm-1, em temperatura ambiente e apresentar elevada estabilidade eletroquímica. Após a escolha do líquido iônico mais promissor seguiu-se com o preparo de um eletrólito compósito baseado no líquido iônico e em uma argila mineral do tipo montmorilonita. O eletrólito compósito apresentou uma pequena redução nos valores de condutividade, em relação ao líquido iônico separadamente. Porém, esta redução foi compensada pelo aumento na temperatura máxima de trabalho e na estabilidade mecânica deste eletrólito. Eletrodos produzidos com nanotubos de carbono funcionalizados de paredes duplas, nanofolhas de grafeno oxidado e nanofolhas de grafeno reduzido foram caracterizados por microscopia eletrônica de varredura, mostrando as diferenças morfológicas geradas pela escolha dos diferentes nanomateriais. Capacitores eletroquímicos usando o líquido iônico selecionado foram estudados com o líquido iônico suportado em papel de filtro e com o novo eletrólito compósito (líquido iônico:argila). Os resultados do capacitor eletroquímico, completamente sólido, que utiliza o eletrólito compósito se mostraram os mais promissores. Valores de capacitância específica de 104 F/g são atingidos a 200°C e 4V de potencial. Além disso, o comportamento capacitivo deste dispositivo foi mantido em 200°C, valor máximo de temperatura de trabalho duas vezes maior que os capacitores eletroquímicos atuais. Valores de densidade de energia de 17 Wh/Kg foram atingidos para estes capacitores em temperaturas de 120°C e 200°C, comparáveis aos resultados reportados na literatura.Electrochemical capacitors based on carbon nanostructured materials and ionic liquids were studied by impedance spectroscopy, cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge cycles. Previously to the capacitor studies ionic liquids with different cations were characterized in order to select the best type of ionic liquid to use as electrolyte in energy storage devices. The ionic liquid 1-Butyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide was chosen due to its high ionic conductivity, mS.cm-1 at room temperature, and its elevate electrochemical stability. This ionic liquid was used to prepare a new type of composite electrolyte based on the ionic liquid and montmorillonite clay. The composite electrolyte presented a slightly reduction in ionic conductivity values compared to neat ionic liquid. However, this conductivity reduction was compensated to improvement of work temperature and mechanical stability of this composite electrolyte. Different kinds of carbon materials were used to prepare electrodes: functionalized double-walled carbon nanotubes, graphene oxide nanosheets and reduced graphene oxide nanosheets. Electrodes were analyzed by scanning electron microscopy showing morphological differences for each kind of nanomaterial used. Electrochemical capacitors using the best ionic liquid were studied with the ionic liquid supported in a filter paper and with the new composite electrolyte (ionic liquid:clay). Solid electrochemical capacitor results were promising. Specific capacitance of 104 F/g was reached at 200°C and 4V potential. Furthermore the capacitor behavior of the devices working at 200°C was established. The maximum temperature work to electrochemical capacitors previously reported was 100°C. Energy density of 17 Wh/Kg was reached at 120°C and 200°C, those values are in the same range of results reported in literature