Desenvolvimento e otimização de óxido de grafeno reduzido para utilização como aditivo no material ativo negativo de baterias chumbo-ácido

Abstract

A adição de materiais carbonáceos, entre estes o óxido de grafeno reduzido (rGO), ao material ativo negativo (NAM) de baterias chumbo-ácido tem sido amplamente estudada por melhorar significativamente a vida útil das baterias, especialmente sob condições de estado parcial de carga. Neste contexto, o presente trabalho estudou os efeitos da adição de diferentes concentrações de rGO (0,20%, 0,75% e 1,40%). O rGO foi produzido a partir da oxidação de grafite em pó em meio ácido (KMnO4 e H2SO4), seguido de esfoliação e redução química com ácido ascórbico, um método de Hummers melhorado, bastante utilizado pelo Laboratório de Sínteses Orgânicas da Unesp/Bauru para diferentes aplicações. A eficiência do processo de síntese do rGO foi confirmada por diversas técnicas de caracterização estrutural e microestrutural, como difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, espectroscopia de fotoluminescência, espectroscopia Raman, análise termogravimétrica e área superficial por isoterma de adsorção. A caracterização eletroquímica, realizada por voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica, indicou que o rGO possui uma capacitância específica significativamente maior do que outros materiais carbonáceos utilizados como aditivos em baterias chumbo-ácido. A natureza da capacitância do rGO também foi estudada, utilizando dois métodos bem estabelecidos na literatura: método de Trasatti e método de espectroscopia de capacitância eletroquímica. Estas análises demonstraram que o óxido de grafeno reduzido possui cerca de 38 % de sua capacitância total atribuída a pseudocapacitância (capacitor eletroquímico). Em relação ao desempenho elétrico das placas negativas, foram realizados ensaios de capacidade e microciclos de carga e descarga sob estado parcial de carga (HRPSoC). A versão de placa contendo 0,20% de rGO apresentou número de ciclos 21% maior e uma capacidade específica C20 6,1% superior em comparação com as placas controle que utilizavam negro de fumo avançado (utilizado para baterias especiais). Contudo, concentrações de 0,75% e 1,40% de rGO mostraram desempenho inferior à de 0,20%, devido ao aumento dos processos faradaicos que suprimem o processo capacitivo e acentuam a reação de evolução de hidrogênio. Desta forma, concluiu-se que o rGO tem potencial para ser utilizado como aditivo no NAM de baterias chumbo-ácido avançadas, proporcionando melhorias significativas no desempenho. No entanto, sua composição deve ser cuidadosamente analisada para evitar efeitos deletérios.

The addition of carbonaceous materials, such as reduced graphene oxide (rGO), to the negative active material (NAM) of lead-acid batteries has been widely studied to significantly improve battery life, especially under partial state of charge conditions. In this context, the present work studied the effects of adding different concentrations of rGO (0.20%, 0.75% and 1.40%). The rGO was produced from the oxidation of powdered graphite in an acidic medium (KMnO4 and H2SO4), followed by exfoliation and chemical reduction with ascorbic acid, an improved Hummers method, widely used by the Organic Synthesis Laboratory at Unesp/Bauru for different applications. The efficiency of the rGO synthesis process was confirmed by several structural and microstructural characterization techniques, such as X-ray diffraction, scanning electron microscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy, photoluminescence spectroscopy, Raman spectroscopy, thermogravimetric and surface area per adsorption isotherm. Electrochemical characterization, performed by cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy, indicated that rGO has a significantly higher specific capacitance than other carbonaceous materials used as additives in lead-acid batteries. The nature of the capacitance of rGO was also studied, using two well-established methods in the literature: Trasatti method and electrochemical capacitance spectroscopy method. These analyzes demonstrated that reduced graphene oxide has around 38% of its total capacitance attributed to pseudocapacitance (electrochemical capacitor). Regarding the electrical performance of the negative plates, capacity tests and charge and discharge microcycles under partial state of charge (HRPSoC) were carried out. The plate version containing 0.20% rGO showed a 21% higher number of cycles and a 6.1% higher C20 specific capacity compared to the control plates that used advanced carbon black (used for special batteries). However, concentrations of 0.75% and 1.40% of rGO showed lower performance than 0.20%, due to the increase in faradaic processes that suppress the capacitive process and accentuate the hydrogen evolution reaction. Therefore, it was concluded that rGO has the potential to be used as an additive in the NAM of advanced lead-acid batteries, providing significant improvements in performance. However, its composition must be carefully analyzed to avoid harmful effects.