Advanced metal graphene composite electrodes for a new generation of electrochemical energy storage devices

10/02/2018

A procura crescente de energia em setores distintos, como residencial, transporte e industrial, bem como a proliferação de fontes renováveis de produção de energia, exigem novos e mais eficientes dispositivos de armazenamento de energia. Consequentemente, tem-se observado um interesse crescente na produção e engenharia de materiais para armazenamento de energia. Muito dos esforços de R&D estão centrados no desenvolvimento de materiais nanoestruturados que possam responder aos requisitos da aplicação, tais como densidade de energia, densidade de potência e estabilidade face à ciclagem do dispositivo. Presentemente são muitos os materiais investigados como potenciais candidatos para elétrodos para dispositivos de armazenamento de energia por via eletroquímia, nomeadamente baterias, condensadores, pseudocondensadores ou supercondensadores. O objetivo do presente trabalho é produzir e estudar novos materiais com uma resposta eletroquímica intermédia entre um elétrodo típico de supercondensador e um elétrodo típico de bateria, também conhecidos como elétrodos híbridos. Por essa razão, selecionaram-se hidróxidos e óxidos de níquel e cobalto devido à sua elevada atividade eletroquímica e baixo custo. Estes materiais foram combinados com derivados de grafeno, que exibem alta condutividade e elevada área superficial ativa. Portanto, este trabalho foca a síntese e caracterização fisico química e eletroquímica de hidróxidos e óxidos de níquel-cobalto nanoestruturados e sua combinação com óxido de grafeno reduzido para aplicações de armazenamento de energia. A síntese foi efectuada por duas vias distintas: eletrodeposição e exfoliação. A eletrodeposição é usada para obter hidróxidos e óxidos de níquel-cobalto em combinação com óxido de grafeno reduzido. Os resultados evidenciam um efeito sinérgico quando o óxido de grafeno reduzido é combinado com o (hidr)óxido de níquelcobalto, isto é, um aumento na capacidade, condutividade e estabilidade do compósito quando comparado com o (hidr)óxido de níquel-cobalto. Neste trabalho é dada especial atenção à espectroscopia de impedância eletroquímica que foi utilizada para avaliar os fenômenos que ocorrem durante a carga e descarga contínua e compreender os processos que ocorrem no material ativo e que resultam na sua degradação. The increasing demand of energy in transportation, residential sector and industry, as well as the proliferation of more efficient renewable sources of energy require novel and more efficient energy storage devices. Consequently, recent efforts in material engineering are focused towards the development of nanostructured materials that can cope with said needs, ultimately related to the energy density, power density and cycling stability of the device. Many materials are currently being investigated as potential candidates for energy storage, which are classified in materials for batteries, capacitors, pseudocapacitors or supercapacitors. The aim of the present work is to generate materials with an intermediate electrochemical response between a supercapacitor and a battery, also known as hybrid electrodes. For that reason, nickel and cobalt hydroxides have been selected due to their high electrochemical activity and low cost and have been combined with graphene derivatives, which exhibit high conductivity and active surface area. Therefore, this work concerns the synthesis as well as the physicochemical and electrochemical characterization of nanostructured nickel-cobalt hydroxides and oxides and their combination with reduced graphene oxide for energy storage applications by means of two routes, electrodeposition and exfoliation. On the one hand, electrodeposition is used to obtain nickel-cobalt hydroxides and oxides in combination with electrochemically reduced graphene oxide. Results evidence a synergistic effect when reduced graphene oxide is combined with nickel-cobalt (hydr)oxide, this is, an increase in capacity, conductivity and cycling stability of the material when compared to the parent nickel-cobalt (hydr)oxide. Moreover, special emphasis is done in the interpretation of electrochemical impedance spectroscopy to evaluate the phenomena occurring during continuous charge-discharge and discern the processes occurring within the active material that result in its degradation.

Authors in the community:

• 

  A

  Alberto Adan Mas

  ist423049

Supervisors of this institution:

• 

  M

  Maria de Fátima Grilo da Costa Montemor

  ist23859

101600844

Doutoramento em Engenharia de Materiais

materials-engineering - Materials engineering

Keywords

• Hidróxido de níquel-cobalto
• óxido de níquel-cobalto
• grafeno
• electrodeposição
• exfoliação
• armazenamento de energia
• Nickel-cobalt hydroxide
• nickel-cobalt oxide
• graphene
• electrodeposition
• exfoliation
• energy storage

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

International Doctoral School in Functional Materials