Caracterização eletroquímica de material ativo de eletrodo de supercapacitor baseado em nanocompósito de nanotubos de carbono e óxido de níquel

Abstract

Motivado pela demanda atual de dispositivos de armazenamento de energia mais eficientes e sustentáveis, nesse trabalho foram fabricados eletrodos de supercapacitor baseado em nanocompósitos de nanotubos de carbono (CNT) e óxido de níquel (NiO) em substrato de óxido de índio-estanho (ITO). Capacitores eletroquímicos ou supercapacitores são dispositivos de armazenamento de energia caracterizados por sua alta densidade de energia, alta densidade de potência, longo ciclo de vida e curto tempo de carga e descarga. Neste contexto, nanocompósitos baseados em CNTs e NiO podem apresentar excelente desempenho eletroquímico para aplicação em eletrodos de supercapacitores. A capacitância total desse tipo de nanocompósito é a soma de duas contribuições: a elevada capacitância da dupla camada elétrica, devido a alta área superficial específica dos CNTs e a pseudocapacitância do NiO, que, por meio de processos faradaicos, contribue para o armazenamento de energia eletroquimicamente. Neste trabalho, para produzir os eletrodos NiO/CNT/ITO, primeiramente foram depositados filmes de nanotubos sobre substrato de ITO através da técnica de deposição eletroforética. Em seguida, níquel metálico foi eletrodepositado sobre os nanotubos, e finalmente o eletrodo passou por tratamento térmico para a formação do óxido. O eletrodo de NiO/CNT/ITO desenvolvido nesse estudo apresentou alto desempenho eletroquímico, sendo dominantemente capacitivo na faixa de potencial de 0,0 V à 0,8 V, com capacitância máxima de ~35 F/g. Tal nanocompósito apresentou densidades de energia máxima de ~15 kJ/kg e potência máxima de ~ 5 kW/kg. Segundo o Diagrama de Ragone, estas densidades são compatíveis com os valores esperados para supercapacitores. Além disso, o eletrodo com nanocompósito apresentou maior estabilidade cíclica que o eletrodo com somente óxido, sem nanotubo. Devido às propriedades apresentadas, esse nanocompósito é um material promissor para o desenvolvimento de dispositivos supercapacitores com alta densidade de energia e alta densidade de potência.

Motivated by the current demand of storage devices more energy efficient and sustainable, in this work were manufactured electrodes for supercapacitor based on carbon nanotubes (CNT) and nickel oxide (NiO) nanocomposites supported on indium tin oxide (ITO) substrate. Electrochemical capacitors, knowed as supercapacitors, are energy storage devices characterized by their high energy density, high power density, long life cycle and short charge and discharge time. In this context, nanocomposites based on carbon nanotubes and metal oxides can exhibit excellent electrochemical performance in applications for supercapacitor electrodes. The total capacitance of electrode nanocomposite is the addition of both contributions: the high capacitance of the electric double layer, due to high specific surface area of carbon nanotubes and pseudocapacitance performance of nickel oxide, due stored energy electrochemically by faradaic processes. There are several metal oxides that have pseudocapacitive features, but many are too expensive. The nickel oxide has a comparable performance with other pseudocapacitive oxides and conductive polymers, and have a low cost. To produce the NiO/CNT/ITO electrodes in this work, first nanotube films were prepared by electrophoretic deposition on ITO substrate. Then nickel metallic was electrodeposited on the nanotubes, and finally the electrode passed through a thermal treatment to form the oxide. The NiO/CNT/ITO electrode developed in this study showed a high electrochemical performance for the potential ranging from 0.0 V to 0.8 V, with ~ 35 F/g of maximum capacitance. This nanocomposite showed ~ 15 kJ/kg of maximum power densities and ~ 5 kW/kg of maximum power. These densities are consistent with expected values for supercapacitors according to the Ragone Plot. Moreover, this nanostructured electrode showed higher cyclic stability than oxide without carbon nanotubes. These properties make this nanocomposite a promising material for the development of high energy density and high power density supercapacitors devices.