Eletrodos hierárquicos de espuma de carbono poroso fabricados a partir de modelo de resíduo de elastômero de poliuretano para duplo elétrico

May 31, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 11786 (2022) Citar este artigo

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Os resíduos plásticos tornaram-se uma grande preocupação ambiental global. A utilização de carbono poroso derivado de resíduos sólidos para armazenamento de energia tem recebido ampla atenção nos últimos tempos. Aqui, relatamos a comparação do desempenho eletroquímico de espumas de carbono porosas (CFs) produzidas a partir de modelos de elastômeros de poliuretano (PU) residuais através de duas vias de ativação diferentes. Capacitores elétricos de dupla camada (EDLCs) fabricados a partir de espuma de carbono exibiram uma capacitância gravimétrica de 74,4 F/g a 0,1 A/g. A alta densidade de empacotamento devido à presença de esferas de carbono na estrutura hierárquica ofereceu excelente capacitância volumétrica de 134,7 F/cm3 a 0,1 A/g. Além disso, os EDLCs baseados em CF exibiram eficiência Coulombic próxima de 100% e apresentaram desempenho cíclico estável para 5.000 ciclos de carga-descarga com boa retenção de capacitância de 97,7% a 3 A/g. A baixa resistência em série equivalente (1,05 Ω) e a resistência à transferência de carga (0,23 Ω) devido à extensa presença de grupos funcionais hidroxila contribuíram para atingir alta potência (48,89 kW/kg). Com base nas propriedades preferidas, como alta área superficial específica, estrutura hierárquica de poros, funcionalidades de superfície, baixas impurezas metálicas, alta condutividade e comportamento capacitivo desejável, os CF preparados a partir de resíduos de elastômeros de PU mostraram potencial para serem adotados como eletrodos em EDLCs.

Supercapacitores (SCs), também conhecidos como ultracapacitores, são dispositivos avançados de armazenamento de energia que podem ser carregados e descarregados em segundos e têm potencial em aplicações que exigem energia, como veículos elétricos pesados, dispositivos eletromecânicos, eletricidade não intermitente de fontes renováveis, etc. .1,2. Com base nos mecanismos de armazenamento de carga e nas características do dispositivo, os supercapacitores podem ser classificados em três categorias: (i) capacitores elétricos de camada dupla (EDLCs), (ii) pseudocapacitores e (iii) capacitores assimétricos . Embora os pseudocapacitores tenham alta capacitância específica e armazenem energia principalmente através da transferência de carga Faradaica entre o eletrodo e o eletrólito, eles apresentam limitações em aplicações práticas devido à baixa estabilidade do ciclo e ao alto custo. Os EDLCs à base de carbono continuam a dominar o mercado comercial devido aos pulsos rápidos de energia, ciclo de vida longo e alta eficiência coulombiana8. Aqui, nos concentramos em EDLCs simétricos que armazenam e liberam energia através da adsorção-dessorção física de íons na superfície, formando uma dupla camada elétrica na interface eletrodo-eletrólito . Os carbonos porosos destacam-se como materiais de eletrodos promissores para EDLCs devido à sua alta área superficial específica, boa condutividade elétrica, estabilidade físico-química, facilidade de preparação e baixo custo . Os materiais de eletrodo à base de carbono não são apenas excelentes candidatos para EDLCs, mas também desempenham um papel importante no suporte do material ativo dos pseudocapacitores. A maioria dos supercapacitores comerciais utiliza carvões ativados à base de biomassa derivados de cascas de coco, madeira, bambu e serragem como eletrodos11 – estes sofrem de baixa capacitância específica e baixa capacidade de taxa.

Além da alta área superficial específica, o tamanho e a geometria dos poros influenciam a dupla camada elétrica. A capacitância específica dos EDLCs é determinada principalmente pela área superficial específica efetiva e pela distribuição do tamanho dos poros (micro, meso e macroporos) dos eletrodos de carbono porosos. Através do aumento da área superficial, os microporos melhoram o desempenho eletroquímico; no entanto, os microporos podem limitar a difusão e o transporte de íons - materiais de carbono que contêm apenas microporos muitas vezes não atendem aos requisitos para supercapacitores de alto desempenho12. No entanto, a estrutura hierárquica em forma de meso e macroporos interligados com microporos encurta o caminho de difusão e pode facilitar o transporte de íons . Assim, carbonos amorfos com uma estrutura hierárquica de poros compreendendo redes bem desenvolvidas de poros e canais são altamente adequados para EDLCs.