Orientador: Ambrósio Florêncio de Almeida Neto

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Conhecidas pela elevada energia específica teórica, as baterias de lítio-ar compreendem uma tecnologia atrativa para o armazenamento de energia elétrica e podem tornar os veículos elétricos amplamente acessíveis. Adicionalmente, as baterias de Zn ar possuem aplicações no setor médico e de...

Resumo: Conhecidas pela elevada energia específica teórica, as baterias de lítio-ar compreendem uma tecnologia atrativa para o armazenamento de energia elétrica e podem tornar os veículos elétricos amplamente acessíveis. Adicionalmente, as baterias de Zn ar possuem aplicações no setor médico e de telecomunicações, como aparelhos auditivos em miniatura e dispositivos de mensagens sem fio. Ambas as tecnologias exigem catodos de ar para acelerar as lentas taxas de reações de redução (descarga) e evolução (carga) de O2. Apesar dos esforços dos pesquisadores, os eletrocatalisadores atuais carecem de atividade e estabilidade suficientes. Nesse contexto, esta tese propôs avaliar os parâmetros envolvidos na eletrodeposição de catalisadores bimetálicos e na ciclagem da bateria de Li-O2. No estudo com Co-W foram avaliados a influência da densidade de corrente elétrica e da concentração de W na eletrodeposição em espuma de níquel e malha de aço com posterior aplicação na bateria de Li O2. O estudo com Ag-Co propôs avaliar a influência da densidade de corrente elétrica e pressão de O2 durante a ciclagem na bateria de Li-O2. Para Zn-Co, foi proposto avaliar a influência da temperatura do banho eletrolítico e da velocidade de rotação catódica durante a eletrodeposição e como essa configuração impactava na ciclagem dos eletrodos na células de Li O2. No sistema de Zn-ar foram avaliados como o pH da solução de W-Co e o tempo de eletrodeposição influenciavam a eficiência da bateria. A análise estatística para a eletrodeposição de Co-W demonstrou que maiores concentrações de W e densidade de corrente elétrica aumentaram a eficiência de eletrodeposição, no entanto as quantidades de depósito nos substrato não se mostraram benéficas para o sistema de Li-O2. Para a eletrodeposição de Ag Co, a pressão de O2 de 2 atm e densidade de corrente elétrica de 50 µA cm-2 na bateria de Li-O2 apresentaram os maiores valores de capacidade de descarga, sendo 336 mAh g-1c (malha de aço) e 115 mAh g-1c (espuma de níquel). Os eletrodos contendo Zn-Co apresentaram resultados benéficos para a reação de evolução de oxigênio, de acordo com o valores obtidos por voltametria cíclica de voltametria de varredura linear. Para o substrato de espuma de níquel a temperatura de 70 °C e velocidade de rotação catódica de 100 rpm demonstrou o maior valor de capacidade de carga, sendo de 182 mAh g-1c. Para a malha de aço os parâmetros a 25 °C e 30 rpm forneceu uma capacidade de carga de 399 mAh g-1c. Para o estudo com Co-W em baterias de Zn-ar, o tempo de eletrodeposição de 15 min e pH do banho eletrolítico com valor de 7.5 proporcionou eficiência próxima de 60% a 20 mA cm-2, sendo um excelente eletrocatalisador bifuncional para ambas as reações de O2 com resultado superior ao catalisador comercial de Pt-Ru. A análise de energia dispersiva de raios-X demonstrou que W foi solubilizado durante a ciclagem na bateria de Zn ar e pelo microscópio eletrônico de transmissão foi verificado que houve a formação de uma estrutura de espinélio de ZnCo2O4, devido a presença de Zn na composição do eletrólito

Abstract: Known for their high theoretical specific energy, lithium-air batteries comprise an attractive technology for storing electric energy that can make electric vehicles widely accessible. Additionally, Zn-air rechargeable batteries have medical and telecommunication applications such as...

Abstract: Known for their high theoretical specific energy, lithium-air batteries comprise an attractive technology for storing electric energy that can make electric vehicles widely accessible. Additionally, Zn-air rechargeable batteries have medical and telecommunication applications such as miniature hearing aids and wireless messaging devices. Both technologies require air cathodes to accelerate slow rates of O2 reduction (discharge) and evolution (charge) reactions. Despite the researchers' efforts, current electrocatalysts lack sufficient activity and stability. In this context, this thesis proposed to evaluate the parameters involved in the electrodeposition of bimetallic catalysts and in the Li-O2 battery cycling. In the Co-W study, the influence of electric current density and W concentration on the electrodeposition in nickel foam and steel mesh was evaluated with subsequent application on the Li-O2 battery. The Ag Co study proposed to evaluate the influence of electric current density and O2 pressure during cycling on the Li-O2 battery. For Zn-Co, it was proposed to evaluate the influence of electrolytic bath temperature and cathodic rotation speed during electrodeposition and how this configuration impacted the cycling in Li-O2 cell. In the Zn-air system were evaluated how the pH of the W Co solution and the electrodeposition time influenced the battery efficiency. Statistical analysis for Co-W electrodeposition demonstrated that higher W concentrations and electric current density increased the electrodeposition efficiency, however the amount of deposition on the substrates was not beneficial for the Li-O2 system. For the electrodeposition of Ag-Co, the O2 pressure of 2 atm and electrical current density of 50 µA cm-2 in the Li-O2 battery presented the highest discharge capacity values, being 336 mAh g-1c (steel mesh) and 115 mAh g-1c (nickel foam). The electrodes containing Zn-Co showed beneficial results for the oxygen evolution reaction, according to the values obtained by linear scanning voltammetry and cyclic voltammetry. For the nickel foam substrate the temperature of 70 °C and cathodic rotation speed of 100 rpm showed the highest load capacity value, being 182 mAh g-1c. For the steel mesh the parameters at 25 °C and 30 rpm provided a charge capacity of 399 mAh g-1c. For the study with Co-W in Zn-air batteries, the electrodeposition time of 15 min and pH of the electrolytic bath with a value of 7.5 provided efficiency close to 60% at 20 mA cm-2, being an excellent bifunctional electrocatalyst for both O2 reactions with better results than the commercial Pt-Ru catalyst. Energy dispersive X-ray showed that W was solubilized during cycling in the Zn-air battery and by transmission electron microscope it was verified that a spinel structure of ZnCo2O4 was formed due to the presence of Zn in the electrolyte composition

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