Artigo da Divisão de Armazenamento Avançado de Energia do CINE analisa alterações em eletrodos após processo de envelhecimento

A transição energética para fontes mais sustentáveis gera a demanda por dispositivos de armazenamento de energia cada vez mais eficientes, duráveis e ambientalmente adequados. Hoje, os dispositivos mais usados são as baterias, mas uma tecnologia complementar essencial é a dos supercapacitores, que podem ser carregados e entregar a energia em intervalos de tempo muito menores, da ordem de segundos.

Supercapacitores já são usados, por exemplo, no acionamento das portas de aviões, e sua importância é crescente no ramo dos veículos elétricos ou híbridos, como os chamados “blue trams”, ônibus elétricos cujo carregamento acontece no ponto de parada. No entanto, seu uso mais abrangente ainda depende do desenvolvimento de novos materiais, e este é um dos principais objetivos da Divisão de Armazenamento Avançado de Energia (AES) do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), Centro de Pesquisa, Inovação e Difusão (Cepid) apoiado pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp) e pela Shell.

Em relação às baterias, uma desvantagem dos supercapacitores é a menor quantidade de energia armazenada. No entanto, sistemas híbridos devem conseguir, no futuro, combinar as características dos dois dispositivos, ou seja, oferecer carga e descarga rápidas de uma grande quantidade de energia. Para tanto, a AES vem desenvolvendo e pesquisando novos materiais para eletrodos a base de carbono, dentre eles nanotubos de carbono de paredes múltiplas suportados em malha de aço inoxidável. Recentemente, estudo da AES sobre o processo de “envelhecimento” desses eletrodos em diferentes eletrólitos demonstrou que sua capacidade de armazenamento pode ser ampliada por esse processo e, também, a estabilidade do material ao longo de vários ciclos de carga e descarga.

Nanotubos de carbono apresentam características morfológicas que podem facilitar a interação do eletrodo com os íons em solução no eletrólito e, consequentemente, a capacidade de armazenamento de energia. Neste sentido, um conceito importante é o de molhabilidade.

“Uma analogia possível é com a capilaridade em uma folha de papel. Quando jogamos uma gota de água no papel, ela vai molhando uma área muito maior que o seu tamanho em função do tempo, por capilaridade. Não é imediato, e isto também acontece na interface entre eletrodo e eletrólito”, explica Willian G. Nunes, um dos autores do artigo, que desenvolve seu doutorado junto à AES. A pesquisa tem a orientação de Hudson Giovani Zanin, docente da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e coordenador de dois projetos vinculados à Divisão.

“Quando o dispositivo é montado, é necessário um tempo para o eletrodo ser ‘molhado’ pelo eletrólito e, quanto mais ‘molhado’, maior a área eletroquimicamente ativa e maior a capacidade de armazenar energia. E nós queremos armazenar mais energia!”, continua Nunes.

No estudo, os eletrodos de nanotubos de carbono foram montados nas chamadas “coin cells” – células do tipo moeda, semelhantes àquelas das baterias usadas em relógios, balanças e brinquedos, por exemplo – e deixados imersos em dois tipos de eletrólitos – aquoso e orgânico – por três meses. Depois, foram submetidos a diversos testes e análises para comparação com eletrodos recém-montados, como voltametria cíclica, descarga galvanostática, espectroscopia de impedância eletroquímica e, também, espectroscopias Raman, FT-IR e raios X, bem como microscopia eletrônica.

“Em ambos os eletrólitos, houve aumento da capacidade de armazenar energia devido à molhabilidade depois de três meses”, conta Nunes. “Ao analisar esses eletrodos logo após a montagem, podemos subestimar o desempenho do dispositivo. Assim, o processo de molhabilidade é importante para extrair o máximo de desempenho dos dispositivos”, conclui. Os pesquisadores também fizeram a análise de ciclagem e, neste caso, os eletrodos imersos em eletrólito aquoso ofereceram a melhor combinação entre a capacidade de molhar e a menor perda da capacidade de reter energia (capacitância).

Além de Nunes e Zanin, participaram da pesquisa e assinam o artigo seis outros pesquisadores do CINE, vinculados aos grupos “Carbon Sci-Tech Labs”, coordenado por Zanin, e “Laboratory of Advanced Batteries”, coordenado por Gustavo Doubek, docente da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp. Outro colaborador é Leonardo M. da Silva, do Departamento de Química da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri.

O artigo “Study of the aging process of nanostructured porous carbon-based electrodes in electrochemical capacitors filled with aqueous or organic electrolytes in electrochemical capacitors filled with aqueous or organic electrolytes” foi publicado no Journal of Energy Storage em janeiro deste ano.

Imagem: Representação do aumento da área eletroquimicamente ativa após três meses. No lado direito da figura, vemos os íons do eletrólito – partículas coloridas – penetrando o eletrodo de carbono (Crédito: Autores)