Desenvolvimento e caracterização de compósitos Pb-Carbono e Pb-Carbetos para produção de grades metálicas de baterias chumbo-ácidas

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Cossú, Caio Marcello Felbinger Azevedo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Caracterização Microestrutural e Eletroquímicas; Carbetos; Carbides; Carbon; Carbono; Compósitos de Pb; Metalurgia do Pó; Microstructural and Electrochemical Characterization; Pb Composites; Powder Metallurgy
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/97/97134/tde-25062025-134403/

Por décadas, as baterias de chumbo-ácido têm sido amplamente utilizadas para fornecer energia a sistemas elétricos, operando por meio de reações redox que envolvem o chumbo (Pb) e o dióxido de chumbo (PbO2). No entanto, a eficiência energética dessas baterias é fundamentalmente limitada pela baixa densidade de energia e pelos desafios inerentes aos ciclos de carga e descarga. Com o objetivo de otimizar o desempenho dessas baterias, pesquisas têm focado na melhoria das transformações eletroquímicas das massas ativas e na resistência à corrosão das grades metálicas. Estudos recentes demonstraram que a incorporação de partículas de carbono na composição da massa ativa pode melhorar significativamente as propriedades eletroquímicas das baterias durante os ciclos de carga e descarga. Neste contexto, o presente trabalho visa produzir, caracterizar e avaliar as propriedades microestruturais e eletroquímicas dos compósitos Pb-Carbono e Pb- Carbeto, comparando diferentes tipos de carbono (grafite, grafeno e xerogel) e carbetos (TiC e SiC), em concentrações de 1% (em peso). Os compósitos foram fabricados utilizando a técnica de metalurgia do pó, prensados a 550 MPa e sinterizados a 320ºC por 48 h. A microestrutura dos compósitos foi caracterizada por Difração de Raios X (DRX), Microscopia Eletrônica de Varredura com Espectroscopia de Dispersão de Energia (MEV/EDS) e Microdureza Vickers. As propriedades eletroquímicas foram investigadas por meio de medidas de Potencial de Circuito Aberto (OCP), polarização (potenciostática e potenciodinâmica) e voltametria cíclica (VC) em solução de H2SO4 (4,91 mol-L-1). As caracterizações microestruturais indicaram uma distribuição homogênea das partículas de carbono e carbetos na matriz de Pb, resultando no aumento da microdureza dos compósitos. As análises eletroquímicas revelaram um aumento na resistência à corrosão, evidenciado pela redução na densidade de corrente em comparação ao Pb puro. As curvas de VC demonstraram que a presença de diferentes partículas promoveu melhorias significativas nos ciclos de carga e descarga, aumentando a condutividade elétrica na interface eletrodo/eletrólito e mantendo a formação das fases PbSO4 e PbO2 (grades positivas), além de Pb e PDbSO, (grades negativas). Houve também uma melhora na absorção de sobrepotenciais elétricos em comparação ao Pb puro. Destacou-se que as inclusões de partículas de carbono (grafite, grafeno e xerogel) e carbetos (TiC e SiC) contribuíram para a diminuição da evolução de H2 durante os processos de carga e descarga das grades negativas, resultando em uma melhor performance do compósito Pb quando aplicado no polo negativo das baterias.