Please use this identifier to cite or link to this item:
https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43540
ORCID: | http://orcid.org/0000-0002-4081-9008 |
Document type: | Tese |
Access type: | Acesso Aberto |
Title: | Estudo da influência de aditivos de carbono sobre as propriedades eletroquímicas e morfologia do material ativo negativo de baterias chumbo-ácido |
Alternate title (s): | Study of the influence of carbon additives on the electrochemical properties and morphology of the negative active material of lead-acid batteries |
Author: | Carvalho, Cynthia Mayara de |
First Advisor: | Santos, André Luiz dos |
First coorientator: | Brito, Gilberto Augusto de Oliveira |
First member of the Committee: | Kikuti, Elaine |
Second member of the Committee: | Faria, Anizio Marcio de |
Third member of the Committee: | Impinnisi, Patrício Rodolfo |
Fourth member of the Committee: | Lopes, Mauro Chierici |
Summary: | No cenário atual de aquecimento global, faz-se urgente a busca e a utilização de novas fontes de energia que sejam renováveis, de baixo custo, que possuam maior eficiência energética e que gerem menos gases de efeito estufa. Neste contexto, há um crescente interesse nos acumuladores de energia e, dentre esses, estacam-se as baterias chumbo ácido, principalmente por ser uma tecnologia consolidada, eficiente e de baixo custo. Buscando-se uma diminuição nas emissões dos gases de efeito estufa, há uma crescente demanda industrial por veículos elétricos e híbridos, que se utilizam da tecnologia <start stop= e de <freios regenerativos=, as quais requerem que a bateria trabalhe em modo de estado parcial de carga, o que provoca sulfatação, principalmente nos eletrodos negativos de baterias chumbo-ácido, diminuindo o ciclo de vida dessas. Os aditivos à base de carbono aplicados ao eletrodo negativo da bateria chumbo-ácido retardam o processo de sulfatação e aumentam o ciclo de vida da bateria em estado parcial de carga. Materiais carbonáceos derivados de biomassa (biocarvão) vêm sendo utilizados nos eletrodos de células eletroquímicas, assim como em capacitores e supercapacitores e têm demonstrado enorme potencial em melhorar suas propriedades físicas e eletroquímicas em comparação a outros materiais carbonáceos, contudo, poucos estudos com biocarvões foram realizados nos eletrodos negativos de baterias chumbo-ácido. Assim, o presente trabalho buscou trazer contribuições ao estudo das influências do biocarvão sobre as propriedades físicas e eletroquímicas de eletrodos negativos de baterias chumbo-ácido. Para isso foram confeccionados eletrodos negativos sem aditivo (SA), com aditivo de negro de fumo (NF) e biocarvão (BIO 700), advindo da biomassa de casca de eucalipto, nas concentrações de 0,5, 1, 2 e 3% em relação à massa de PbO utilizada na confecção da pasta do eletrodo, que foi composta por PbO, H2O e carbono, sem adição de ácido sulfúrico. Esses eletrodos foram caracterizados por adsorção de N2, microscopia eletrônica de varredura (MEV), testes de carga, descarga e medidas de capacidade. Os resultados mostraram que o material contendo biocarvão foi superior em comparação ao NF e ao SA, nos testes de carga, descarga e capacidade. A concentração de biocarvão que apresentou a maior capacidade de referência foi 2% (210 mAg-1), concentração na qual a razão entre as áreas superficiais específicas interna e externa ficou em 50%. Foi comprovado que o biocarvão se tornou parte da estrutura interna do material precursor e ativo. Esse efeito diminuiu a área superficial BET dos materiais contendo biocarvão em comparação àqueles preparados sem aditivo e com NF, porém, aumentou o desempenho eletroquímico do eletrodo negativo. Os valores de capacidade específica (C20) obtidos para as concentrações de 2% NF, 1% BIO 700 e 2% BIO 700 foram maiores ou próximos aos valores de C20 obtidos para eletrodos negativos, encontrados na literatura, com composição de ácido sulfúrico e outros aditivos, além do carbono, na sua pasta. Assim, foi comprovada a superioridade física e eletroquímica do biocarvão como aditivo na placa negativa em comparação ao NF, amplamente utilizado nas indústrias como aditivo. Essa superioridade foi consequência da maior diversidade do tamanho de partículas, da maior diversidade entre grupos funcionais básicos e ácidos, da menor área superficial específica externa e da introdução do biocarvão ao bulk do material precursor e ativo negativo, demonstrando uma melhor afinidade desse carbono em relação ao NF. Ressalta-se que mais estudos devem ser realizados com biocarvões como aditivos da placa negativa de baterias chumbo-ácido, em face do seu melhor desempenho físico e eletroquímico em relação ao NF, para que mais variáveis dessa melhora de desempenho sejam evidenciadas e controladas. |
Abstract: | In the current scenario of global warming, it is urgent to search for and use new energy sources that are renewable, low-cost, more energy-efficient and generate fewer greenhouse gases. In this context, there is a growing interest in energy accumulators and, among these, lead-acid batteries stand out, mainly because they are a consolidated, efficient and low-cost technology. In order to reduce greenhouse gas emissions, there is a growing industrial demand for electric and hybrid vehicles, which use "start-stop" technology and "regenerative brakes", which require the battery to work in partial state of charge mode, which causes sulfation, especially in the negative electrodes of lead-acid batteries, reducing their life cycle. Carbon-based additives applied to the negative electrode of the lead-acid battery slow down the sulfation process and increase the life cycle of the battery in a partial state of charge. Carbonaceous materials derived from biomass (biochar) have been used in electrochemical cell electrodes, as well as in capacitors and supercapacitors and have shown enormous potential to improve their physical and electrochemical properties compared to other carbonaceous materials, however, few studies with biochars have been performed on the negative electrodes of lead-acid batteries. Thus, the present work sought to bring contributions to the study of the influences of biochar on the physical and electrochemical properties of negative electrodes of lead-acid batteries. For this purpose, negative electrodes were made without additive (SA), with carbon black (NF) and biochar (BIO 700) additives, derived from eucalyptus bark biomass, at concentrations of 0.5, 1, 2 and 3% in relation to the mass of PbO used in the preparation of the electrode paste, which was composed of PbO, H2O and carbon, no added sulfuric acid. These electrodes were characterized by N2 adsorption, scanning electron microscopy (SEM), charge, discharge tests and capacity measurements. The results showed that the material containing biochar was superior to NF and SA in the charge, discharge and capacity tests. The biochar concentration with the highest reference capacity was 2% (210 mAg-1), concentration in which the ratio between the internal and external specific surface areas was 50%. It has been proven that biochar has become part of the internal structure of the precursor and active material. This effect decreased the BET surface area of the biochar-containing materials compared to those prepared without additive and with NF, however, it increased the electrochemical performance of the negative electrode. The specific capacity values (C20) obtained for the concentrations of 2% NF, 1% BIO 700 and 2% BIO 700 were higher or close to the C20 values obtained for negative electrodes, found in the literature, with a composition of sulfuric acid and other additives, in addition to carbon, in their paste. Thus, the physical and electrochemical superiority of biochar as an additive in the negative plate compared to NF, widely used in industries as an additive, was proven. This superiority was a consequence of the greater diversity of particle size, the greater diversity between basic and acid functional groups, the smaller external specific surface area, and the introduction of biochar to the bulk of the precursor and negative active material, demonstrating a better affinity of this carbon in relation to the NF. It is noteworthy that more studies should be carried out with biochars as additives to the negative plate of lead-acid batteries, in view of their better physical and electrochemical performance in relation to NF, so that more variables of this performance improvement are evidenced and controlled. |
Keywords: | baterias chumbo-ácido lead-acid batteries eletrodo negativo negative electrode sulfatação sulfation aditivos de carbono carbon additives negro de fumo carbon black biocarvão biochar |
Area (s) of CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA |
Subject: | Química |
Language: | por |
Country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Uberlândia |
Program: | Programa de Pós-graduação em Química |
Quote: | CARVALHO, Cynthia Mayara de. Estudo da influência de aditivos de carbono sobre as propriedades eletroquímicas e morfologia do material ativo negativo de baterias chumbo-ácido. 2024. 135 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.551. |
Document identifier: | http://doi.org/10.14393/ufu.te.2024.551 |
URI: | https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/43540 |
Date of defense: | 26-Jan-2024 |
Sustainable Development Goals SDGs: | ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos. |
Appears in Collections: | TESE - Química |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
EstudoInfluênciaAditivos.pdf | Tese | 13.31 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License