Estrutura e propriedades de materiais eletrólitos e compósitos poliméricos e sua aplicação em capacitores eletroquímicos de dupla camada

Neste trabalho foi realizado um estudo fundamental de diferentes materiais (blendas, compósitos e eletrólitos poliméricos), todos no estado sólido, preparados com homopolímeros de poli(óxido de etileno) e poliuretana termoplástica a base de poliéter e copolímeros de poliéteres, empregando-se LiClO4 como fonte de íons, negro de fumo nanoestruturado e nanotubo de carbono de parades múltiplas como cargas condutoras. Adicionalmente, efetuou-se uma aplicação direta desses materiais no preparo de capacitores eletroquímicos de dupla camada no estado sólido (supercapacitores). As propriedades térmicas, morfológicas e elétricas dos materiais foram avaliadas, buscando-se correlação estruturas x propriedades. Desenvolveu-se uma metodologia reprodutível e de baixo custo para o preparo de fluídos e deposição de camadas. Foram preparados eletrólitos sólidos poliméricos cujos valores de condutividade iônica, a temperatura ambiente, estão entre os melhores valores descritos na literatura. Obteve-se boa dispersão dos materiais de carbono nas matrizes poliméricas, em suspensão e no estado sólido. Nanocompósitos com condutividade da ordem de 10-5 S/cm foram produzidos com baixos limiares de percolação (principalmente nos sistemas com nanotubos de carbono). O preparo de nanocompósitos poliméricos com nanotubos de carbono é um tema atual da nanociência e, o grande desafio encontrado nessa área, relacionado com a dispersão dos nanotubos, foi vencido neste trabalho. Efetivou-se a construção de capacitores eletroquímicos de dupla camada totalmente sólidos, com dimensões que permitem miniaturização, preparados com material polimérico, nos quais problemas de vazamento de eletrólitos são evitados. O capacitor preparado com eletrodo compósito com 10% de negro de fumo em matriz PEO:NPPP apresenta performance, acessada pela capacitância específica (F/g), superior a outros capacitores sólidos descritos na literatura e com ciclabilidade de mais de 1000 ciclos.In this work, a fundamental study of different materials (blends, composites and polymeric electrolytes), all in the solid state, was accomplished. These materials were prepared with poly(ethylene oxide) and thermoplastic polyurethane (polyether based) homopolymers and polyether copolymers, using LiClO4 as ions source, nanostructured carbon black and multi-wall carbon nanotube as conductive fillers. Additionally, a direct application of those materials, in the preparation of all solid state double layer electrochemical capacitors (supercapacitors) was achieved. The thermal, morphologic and electric properties of the materials were appraised, looking for correlation between structures and properties. A reproductive and low cost methodology for fluid preparation and layers deposition was developed. Solid polymer electrolytes were prepared having values of ionic conductivity, at room temperature, among the best ones described in the literature. It was obtained good dispersions of carbon materials, both in suspension and in the solid state. Nanocomposites with conductivity of the order of 10-5 S/cm were produced with low percolation thresholds (mainly in the systems with carbon nanotubes). The preparation of polymeric nanocomposites with carbon nanotubes is a current theme in nanoscience and, the big challenge found in this area, related with the nanotubes dispersion, was won in this work. The construction of all solid state double layer electrochemical capacitors having dimensions that allow miniaturization, prepared with polymeric material, avoiding problems of leakage of electrolytes, was executed. The capacitor prepared with composite electrode with 10% of carbon black and PEO:NPPP as polymeric matrix, presents performance, accessed by the specific capacitance (F/g), superior the other solid capacitors described in the literature, and with cyclability of more than 1000 cycles