Fabricação e caracterização de supercapacitores com eletrodos de silício poroso passivados com grafeno.

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Marcel Castilho Batista de Carvalho
• Orientador(a): Sebastião Gomes dos Santos Filho
• Banca de defesa: Danilo Roque Huanca, Maria Lucia Pereira da Silva
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade de São Paulo
• Programa de Pós-Graduação: Engenharia Elétrica
• País: BR
• Link de acesso: https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-20042022-075408

A sociedade caminha para um futuro onde a eletricidade, a forma de energia mais versátil que conhecemos, domina praticamente todos os aspectos de nossas vidas. Os principais empecilhos para alcançar novos avanços se encontram no armazenamento de energia gerada através de fontes renováveis e na área de transporte no uso em veículos elétricos. A densidade de energia armazenada em dispositivos é a principal característica que se busca aumentar, porém outras características como densidade de potência e tempo de vida não devem ser deixadas de lado. O supercapacitor é um dispositivo de armazenamento de energia eletroquímica que não possui uma densidade de energia alta, porém sua densidade de potência e tempo de vida estão entre os mais altos já criados, o que abre nichos de mercado onde tais características se mostram vantajosas. O principal material utilizado na fabricação destes dispositivos é o carbono ativado, mas novos e melhores materiais vêm surgindo a cada ano como por exemplo o grafeno em suas mais diversas formas. Neste trabalho, supercapacitores com eletrodos de silício poroso passivados com grafeno foram fabricados baseado em artigos de referência encontrados na literatura, onde foram desenvolvidos novos procedimentos de fabricação e caracterização. O silício poroso foi produzido por corrosão anódica pelo método contínuo, usual na literatura, e o método stop-etch, com o uso de máscaras de PVC cortadas a laser, algo inovador em relação à literatura. Os filmes resultantes foram caracterizados minuciosamente através de diferentes técnicas de caracterização tais como gravimetria, microscopia eletrônica, porosimetria e perfilometria. Múltiplas camadas de grafeno foram crescidas no silício poroso através de deposição química a vapor utilizando-se um forno RTP a fim de passivar a superfície do material poroso. Esse material crescido de modo conforme à superfície do silício poroso foi caracterizado por retro espalhamento de Rutherford, espectroscopia Raman, Raman map e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X. Após a confecção e caracterização dos eletrodos, o supercapacitor foi montado com um eletrólito orgânico utilizando-se um separador comercial. Esses dispositivos, por sua vez, foram caracterizados eletroquimicamente por voltametria cíclica, curva de carga e descarga galvanostatica e espectroscopia de impedância eletroquímica. A nível de eletrodos, capacitâncias máximas de aproximadamente 19 mF/cm², 11 F/g e e 9 F/cm³ foram alcançadas. À nível de dispositivo, valores máximos de densidade de energia gravimétrica e volumétrica de 10 mWh/kg e 20 mWh/L, respectivamente, foram atingidos. E valores máximos de densidade de potência gravimétrica e volumétrica de 29 W/kg e 60 W/L, respectivamente, foram obtidos.