Prototipagem e Caracterização de Células Eletroquímicas de Baixo Custo para Caracterização, In-Situ, de Eletrodos de Baterias: Estudos Preliminares
Data
2022
Autores
Galeano Espinola, Diego Osmar
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Resumo
A redução do desempenho das baterias é causada, entre outras coisas, por
alterações estruturais permanentes que ocorrem nos eletrodos durante o processo de carga
e descarga. A difração de raios X é uma técnica de caracterização de materiais que permite
a identificação de fases cristalinas. O grande desafio para analisar células eletroquímicas
de baterias é acessar com raios X ao interior da célula. Para estudar a evolução estrutural
da superfície ativa dos eletrodos de bateria de chumbo ácido in-situ, se propõe uma célula
eletroquímica de baixo custo, compatível com um difratômetro de raios X convencional
com fonte de radiação CuKα. Para minimizar a atenuação dos raios X pelo invólucro da
célula eletroquímica, foram propostas duas geometrias: i) uma célula cilíndrica vertical
de polipropileno com um diâmetro interior de 1,7 mm e uma espessura de parede de 0,5
mm, com um eletrodo de trabalho em forma de disco (Pb) na base e; ii) uma célula
retangular tipo U impressa em 3D com uma superfície de elétrodo ativo de 0,3×1mm2
e
janelas de polipropileno de 0,05 mm de espessura. Simulações dos difratogramas,
incluindo a atenuação (para ambas as geometrias), foram realizadas com intuito de
identificar os picos de difração que podem ser detectados em cada uma das células. Os
resultados mostraram a possibilidade de detectar picos de difração correspondentes a Pb
na superfície ativa do eletrodo de trabalho imerso em ácido sulfúrico (5,35 Molar). As
medidas de difração, realizadas periodicamente durante doze semanas, mostram uma
redução na intensidade dos picos de Pb, o que pode ser explicado pela formação inicial
de uma película amorfa de algumas camadas atômicas devido à redução do campo elétrico
durante o crescimento potenciostático. Medidas de difração de raios X em ângulos
rasantes e análises de EDS e SEM foram realizadas na célula retangular tipo U em um
período de seis semanas e mostram a formação de um filme de sulfato de chumbo
cristalino (PbSO4) e, possivelmente, óxido de chumbo (α-PbO2) na superfície do eletrodo
de Pb com precipitação/nucleação inicial a partir de 1 hora e, um crescimento posterior
dos cristais (com estrutura cristalina ortorrômbica) no restante do tempo. Os resultados
mostram a a possibilidade do uso dessas células em medidas de caracterização in-situ por
difração de raios X.
Descrição
Dissertação de Mestrado apresentada ao Instituto Latino-Americano de Ciências da Vida e da Natureza da Universidade Federal da Integração Latino-Americana como parte dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Física Aplicada.
Palavras-chave
célula eletroquímica de baixo custo, difração de raios X in-situ, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia dispersiva em energia de raios X, bateria chumbo-ácido.