52º CBQ - Avaliação eletroquímica do desempenho de compósitos Polianilina/PoliDMcT/NTC para aplicação como eletrodos em supercapacitores.

ÁREA: Iniciação Científica

TÍTULO: Avaliação eletroquímica do desempenho de compósitos Polianilina/PoliDMcT/NTC para aplicação como eletrodos em supercapacitores.

AUTORES: Xavier, F. (IQ-UFU) ; Medeiros, J. (IQ-UFU)

RESUMO: Materiais organossulfonados, dimercaptanos, têm sido estudados como material catódico. O material utilizado foi o 2,5-dimercapto-1,3,4-tiadizol (DMcT) associado à polianilina (PAni) e ao nanotubo de carbono (NTC). A síntese do compósito PDMcT/NTC foi realizada em acetonitrila e água (50% v/v). Em seguida, os pós de PDMcT/NTC foram dispersos no eletrólito de polimerização da anilina. O compósito PAni/PDMcT/NTC apresentou valores de capacitância superiores aos obtidos para os compósitos binários PDMcT/NTC e PAni/NTC e seus materiais constituintes. Além disso, observou-se para este compósito um comportamento capacitivo com alta carga anódica e valores de capacitância em torno de 283 F g^-1, o que o torna bastante promissor como eletrodos em supercapacitores.

PALAVRAS CHAVES: DMcT; NTC; supercapacitor

INTRODUÇÃO: O aumento da demanda por baterias de lítio secundárias com alta densidade de energia tem estimulado o desenvolvimento de uma nova geração de materiais. Neste contexto, há um interesse significativo em usar materiais poliméricos, especialmente polímeros condutores, por causa de suas altas cargas específicos. Baseado no processo de polimerização e despolimerização, compostos organossulfonados (dimercaptanos) têm atraído considerável atenção como materiais catódicos de alta densidade energética para baterias de lítio. Dentre os dimercaptanos, o 2,5-dimercapto-1,3,4-tiadizol (DMcT) é um material catódico promissor devido a sua alta capacidade específica, alto potencial vs. lítio e alta estabilidade. Infelizmente sua cinética redox é lenta, à temperatura ambiente, e não é condutor. Para superar isto, um polímero condutor é associado ao DMcT para aperfeiçoar o desempenho deste compósito como catodo, favorecendo a transferência eletrônica deste dimercaptano. O polímero condutor incorporado ao DMcT, para melhorar seus processos redox, foi a polianilina (PAni) (OYAMA et al.,1995). A PAni e os polímeros derivados da anilina são, sem dúvida, os polímeros condutores que têm recebido maior atenção nos últimos anos devido principalmente, à estabilidade química de sua forma condutora em condições ambientais, facilidade de polimerização e dopagem e baixo custo do monômero. Para melhorar o desempenho capacitivo do DMcT e do polímero condutor, estes materiais foram associados à nanotubos de carbono (NTC), os quais vem sendo bastante estudados para a aplicação de supercapacitores. Além disso, os NTCs apresentam uma alta resistência mecânica e uma boa condutividade eletrônica, favorecendo a utilização de polímeros, pois melhoram as propriedades físicas e eletroquímicas.

MATERIAL E MÉTODOS: Os pós de NTC foram dispersos em solução de acetonitrila e água (50% v/v) com dodecil sulfato de sódio (0,025 mol L^-1) e a esta solução foi adicionada o monômero de DMcT(0,1 mol L^-1). Uma solução aquosa de agente oxidante FeCl₃.4H₂O (0,035 mol L^-1) foi preparada e adicionada lentamente à solução. Em seguida, os pós de NTC/PDMcT foram dispersos em solução do eletrólito NaCl 3 mol L^-1/ HCl 1 mol L^-1 contendo anilina (0,126 mol.L^-1). Em outra solução com o mesmo eletrólito, foi adicionado 0,05 mol L^-1 de FeCl₃.4H₂O e 2 gotas de solução saturada de cloreto de cobalto (catalisador). A polimerização da anilina foi realizada sob agitação moderada e a -5° C, adicionando-se lentamente o agente oxidante. Após a síntese, as caracterizações eletroquímicas dos compósitos foram realizadas por voltametria cíclica e testes de carga e descarga, utilizando uma célula eletroquímica convencional composta de três eletrodos: Pt como eletrodo de trabalho, placa de Li como contra-eletrodo e como eletrodo de referência os materiais compósitos sintetizados. Os eletrodos foram submetidos a 5 ciclos voltamétricos em carbonato de etileno e carbonato de dimetileno contendo LiClO₄ 1 mol L^-1. O cut off usado foi de 2,9 V a 4,2 V.

RESULTADOS E DISCUSSÃO: Para determinar a caracterização eletroquímica de cada amostra foi utilizada a voltametria cíclica. Foi Observado no voltamograma cíclico da polianilina um par de picos bem definidos correspondentes às formas oxidadas e reduzidas, apresentando um perfil faradaico predominante. Já para os NTCs não há picos de oxidação e redução, pois prevalece o perfil capacitivo. No voltamograma do compósito PAni/NTC observa-se um perfil capacitivo semelhante ao do NTC. Cabe ressaltar que o compósito PAni/PDMcT/NTC apresentou maior valor de densidade de corrente e consequentemente de carga anódica quando comparado com aqueles obtidos para os compósitos de PAni/NTC e PDMcT/NTC e seus materiais constituintes. Ademais, este compósito ternário apresentou um comportamento capacitivo com uma área bastante superior àquela obtida para os NTCs, o que torna esse material bastante promissor para a aplicação como eletrodos em supercapacitores, conforme mostrado na Fig. 1. Os valores de capacitâncias de descarga obtidos para os compósitos foram de 1,5 F g^-1 para PDMcT/NTC, 154,4 F g^-1 para PAni/NTC e 283,3 F g^-1 para PAni/PDMcT/NTC, indicando que todos materiais, PAni, PDMcT e NTCs, permaneceram ativos durante os ciclos de carga e descarga. Esta melhoria no resultado foi atribuída ao efeito sinérgico entre os materiais constituintes. A polianilina atuou como um eletrocatalisador das reações redox do PDMcT e este, por sua vez,manteve a polianilina eletroativa a potenciais acima de 3,8 V vs. Li em meio não-aquoso (AGO et al. 1999; CHEN et al. 2000; OYAMA et al. 1995; SOTOMURA et al. 1996).

Figura 1: VC de PAni/PDMcT/NTC e seus materiais constituintes.

Voltamograma Cíclico de PAni/PDMcT/NTC e seus materiais constituintes em EC/DMC contendo 1.0 mol L-1 LiClO4 a 5 mV s-1.

CONCLUSÕES: De acordo com os resultados obtidos por VC e testes de carga e descarga é possível afirmar que o compósito PAni/PDMcT/NTC foi sintetizado quimicamente e apresentou um comportamento capacitivo com alta carga anódica e valores de capacitância em torno de 283 F g-1, o que torna esse material bastante promissor como eletrodos em supercapacitores.

AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem às bolsas e auxílios financeiros concedidos pela FAPEMIG e CNPq.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA: AGO, H.; PETRITCH, K.; SHAFFER, M.S.P.; WINDLE, A.H.; FRIEND, R.H.; 1999. Composites of Carbon Nanotubes and Conjugated Polymers for Photovoltaic Devices. Adv. Mater. 11 1281.
CHEN, G.Z.; SHAFFER, M.S.P.; COLEBY, D.; DIOXAN, G.; ZHOU, W.; FRAY, D.J.; WINDLE, A.H.; 2000. Carbon Nanotube and Polypyrrole Composites: Coating and Doping. Adv. Mater. 12 522.
OYAMA, N. TATSUMA, T.; SATO, T. & SOTOMURA, T. 1995. “Dimercaptan-polyaniline composite electrodes for lithium batteries with high energy density”. Nature, 373: 598.
SOTOMURA, T.; TATSUMA, T.; OYAMA, N.; 1996. J. Electrochem. Soc. 143 3153.