Tratamento a Laser de Elétrodos de Carbono para Supercondensadores

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2022A produção e armazenamento de eletricidade tornaram-se indispensável para o funcionamento da nossa sociedade. Atualmente existe uma grande procura pelo armazenamento de energia, visando a sua utilização num mercado vasto de aplicações, cujas necessidades requerem o fornecimento de eletricidade. Condensadores são conhecidos como um dos primeiros tipos de armazenamento de energia, sendo o seu uso abrangente na maioria dos dispositivos eletrónicos. Os supercondensadores englobamse dentro da categoria de condensadores, sendo que se distinguem pela capacidade de armazenar maiores quantidades de energia em troca de pequenas perdas de potência. Este trabalho visa o estudo e caracterização de elétrodos de carbono ativado aplicados em supercondensadores tratados a laser pulsado, de modo a viabilizar o seu uso comercial, possibilitando novos meios de armazenamento de energia. Este tratamento permite a introdução de novos canais na superfície do elétrodo permitirá aos iões ter acesso a zonas do elétrodo que sejam electroquimicamente inativas ou de difícil acesso e assim aumentar o fluxo iónico na interface elétrodo/eletrólito. Foram preparadas duas amostras de elétrodos à base de carbono ativado. Estas amostras apresentam diferentes quantidade de binder (PVFD) e carbono ativado (CA) variando 10-20% e 80-70% respetivamente, sendo que ambas apresentam a mesma quantidade de carbon black 10%, de modo a obter uma melhor eficiência eletroquímica. Ambas as amostras foram submetidas ao tratamento a laser Nd:YAG, operado em modo pulsado. Desta forma foi possível realizar microperfurações na superfície do elétrodo, com o intuito de aumentar o fluxo iónico da interface elétrodo/eletrólito. Foram testados diferentes níveis de potência, possibilitando o estudo do impacto nos elétrodos. Os estudos destas amostras foram realizados com recurso a técnicas de microscopia, nomeadamente a lupa e o microscópio eletrónico de varrimento (MEV), e posteriormente analisadas com a ferramenta ImageJ ®. Foi elaborado um pequeno protocolo com esta ferramenta de modo a correlacionar as diferentes potências utilizadas com as microperfurações e as áreas dos buracos obtidas das mesmas. Realizou-se uma análise de perfilometria, permitindo obter alguns dados sobre as profundidades e formas dos buracos obtidas. As amostras também foram submetidas a uma pesagem antes e após o tratamento, permitindo uma análise quantitativa mais aprofundada. No seguimento do trabalho experimental obteve-se os resultados desejados das microprefurações, realizando os padrões idealizados e mantendo a coesão da estrutura do elétrodo. A análise mostrou resultados ambiciosos, obtiveram-se algumas conclusões comportamentais sobre a interação do feixe laser e a superficie do elétrodo, e como esta se correlaciona com a intensidade do laser. Assim o trabalho culminou com a realização de elétrodos com as perfurações desejadas, e a colheita de dados sobre os mesmos. Estes dados permitem iniciar um processo iterativo do estudo dos parâmetros laser, de modo a convergir para a melhor solução de tratamento destes elétrodos.The production and storage of electricity are indispensable for the functioning of our society. Currently, there is a great demand for energy storage, aiming its use in a vast market of applications, whose needs require the supply of electricity. Condensers are known as one of the first types of energy storage and are widely used in most electronic devices. Supercapacitors fall within the category of capacitors and are distinguished by the ability to store larger amounts of energy in exchange for small power losses. The aim of this work is the study and characterization of activated carbon electrodes applied to supercapacitors treated with pulsed laser, in order to enable their commercial use, enabling new means of energy storage. This treatment allows the introduction of new channels on the surface of the electrode, allowing the ions to gain access to areas of the electrode that are electrochemically inactive or difficult to access and thus increase the ionic flux at the electrode/electrolyte interface. Two samples of activated carbon-based electrodes were prepared. These samples have different amounts of binder (PVFD) and activated carbon (CA) ranging from 10-20% and 80-70% respectively, and both have the same amount of carbon black 10%, in order to obtain a better electrochemical efficiency. Both samples were submitted to Nd:YAG laser treatment, operated in pulsed mode. In this way, it was possible to make microperforations on the electrode surface, in order to increase the ionic flux at the electrode/electrolyte interface. Different power levels were sampled, making it possible to study the impact on the electrodes. The studies of these samples were carried out using microscopy techniques, namely the magnifying glass and the scanning electron microscope (SEM), and later analyzed with the ImageJ ® tool. A small protocol was developed with this tool in order to correlate the different powers used with the microperforations and the areas of the holes obtained from them. A profilometry analysis was carried out, allowing to obtain some data on the depths and shapes of the holes obtained. The samples were also weighed before and after treatment, allowing for further quantitative analysis. Following the experimental work, the desired results of the microperforations were obtained, making the idealized patterns and maintaining the cohesion of the electrode structure. The analysis showed ambitious results, some behavioral conclusions were obtained about the interaction of the laser beam and the electrode surface, and how this correlates with the laser intensity. Thus, the work culminated with the realization of electrodes with the desired perforations, and the collection of data on them. These data will allow to start an iterative process of improvement of the laser parameters in order to converge to the best solution for the treatment of these electrodes