Desenvolvimento e caracterização de membranas nanoestrutruradas de óxido de grafeno para eletrodos de supercapacitor - Oliveira, Rodrigo Andrade de [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2024)
Esta pesquisa teve como objetivo realizar o desenvolvimento e a caracterização de membranas nanoestrutruradas autoportantes utilizando óxido de grafeno (GO), óxido de grafeno reduzido (rGO) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) para aplicação em eletrodos para dispositivo capacitor de dupla camada (Eletric double layer capacitors - EDLC), também conhecidos por supercapacitores. As membranas foram manufaturadas utilizando dispersão ultrasonificada em meio líquido, seguida de filtração a vácuo e, posteriormente, tratadas termicamente em atmosfera inerte a 400 °C, para o aumento da condutividade elétrica. A etapa de caracterização envolveu o uso das técnicas de termogravimetria (TGA), espectroscopia Raman, análise de resistividade de superfície por meio de dispositivo de quatro pontas em corrente contínua (DC), difratometria de raios X (DRX) e determinação de área superficial por adsorção (B.E.T). A morfologia dos nanocompósitos foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (MET). Após as caracterizações das membranas, dispositivos supercapacitores foram construídos em formato de célula moeda e caracterizados por voltametria cíclica (VC), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE). Visando o escalonamento da tecnologia na manufatura de dispositivos com maior capacidade de armazenamento, membranas com dimensão de 100 mm x 100 mm foram manufaturas para a obtenção de dispositivos EDLC conhecidos como Pouch-cell. Como resultados, pode-se ressaltar a contribuição das técnicas de caracterizações realizadas para a determinação da constituição final de membrana nanocarbonosa híbrida, contendo GO, rGO e MWCNT. O tratamento térmico reduziu a resistividade elétrica das membranas com a remoção dos grupos oxigenados, sendo confirmada sua efetividade por meio das diferentes caracterizações realizadas, resultando em uma condutividade elétrica das membranas de 1184 S/m e 1139 S/m, respectivamente para a composta por óxido de grafeno (GOp) e para a híbrida (HHp). O EDLC caracterizado em célula moeda com eletrodos de GOp resultaram em uma densidade de energia de 9,9 W.h/kg, e densidade de potência de 8,3 kW/kg. Estes resultados foram melhorados com o uso da membrana HHp, obtendo-se 40,5 W.h/kg e 18,2 kW/kg. A manufatura da Pouch-cell utilizando os eletrodos autoportantes se mostrou viável, embora ainda necessário o aprimoramento dos métodos empregados.

The present work aims to develop and characterise free-standing nanostructured membranes manufactured with graphene oxide (GO), reduced oxide graphene (rGO) and multiwalled carbon nanotube (MWCNT) for electric double-layer capacitors (EDLC) applications, wellknown as supercapacitors. Free-standing membranes were manufactured using ultrasonic dispersion in liquid media followed by vacuum filtration in a circular shape with a 47mm diameter and thermal treatment to increase the electrical conductivity. To evaluate the membrane's potential as an electrode for supercapacitor applications, characterisations were performed considering thermogravimetry techniques (TGA), Raman spectroscopies, surface resistivity analyses contacted by four points probe in continuous current mode, x-ray diffractometry (XRD) and active surface area determination by adsorption method (BET). The nanocomposite morphologies were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). After the membrane characterisations, the supercapacitors dispositive were manufactured using coin-cell fixtures and evaluated by cyclic voltammetry (CV) and electrochemistry impendency spectroscopy (EIS). Regarding the technology readiness level scaling up, the membranes were manufactured with (100 x 100) mm of dimension to be applied in higher capacities storage energy EDLC dispositives manufactured using sealed polymeric cases, known as Pouch-cell. The present work achievements reinforce the importance of the performed characterisations in supporting the definition of final hybrid membrane constituents containing GO, rGO, and MWCNT. The thermal treatment removed part of the oxygenated groups, reducing the membrane's electric resistivity. The treatment effectiveness was confirmed by characterisations performed and presenting an electric conductivity of 1184 S/m and 1139 S/m, respectively, for the oxide graphene paper (GOp) and the hybrid paper (HHp), including carbon nanotubes. The coin-cell EDLC manufactured with GOp electrodes presented an energy density of 9.9 W.h/kg and 18.2 kW/kg power density. These results were improved using the HHp membranes, performing 40.5 W.h/kg and 18.2 kW/kg. The manufacturing process of Pouch-Cell using the free-standing papers demonstrated a feasible process route despite the method improvements needed to increase the final quality if the energy storage system obtained.
Development and characterization of oxide graphene membranes for supercapacitor electrodes
Keywords: Nanocompósitos; Oxide graphene papers; EDLC; Supercapacitores estruturais; Materiais nanocarbonosos; Nanocomposites; Supercapacitors; Nanocarbon materials; Nanocompósitos (Materiais); Óxido de grafeno; Nanotubos de carbono; Materiais compostos