Estudos físico-químicos do sistema Na | Na-β/βʺ-Al2O3 | NaAlCl4 | Al de uma bateria Na-Al
| dc.contributor.advisor-co1 | Sales, Lucia Helena Mascaro | |
| dc.contributor.advisor-co1 | D'Alkaine, Carlos Ventura | |
| dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/9130022476352844 | por |
| dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/8699821828310072 | por |
| dc.contributor.advisor-co1orcid | https://orcid.org/0000-0001-6908-1097 | por |
| dc.contributor.advisor1 | Bocchi, Nerilso | |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/5930614700886481 | por |
| dc.contributor.advisor1orcid | https://orcid.org/0000-0002-9170-9925 | por |
| dc.contributor.author | Grespan, Giovani Luiz | |
| dc.contributor.authorlattes | http://lattes.cnpq.br/8447367139661872 | por |
| dc.contributor.authororcid | https://orcid.org/0009-0005-5734-2049 | por |
| dc.date.accessioned | 2024-11-27T21:09:46Z | |
| dc.date.available | 2024-11-27T21:09:46Z | |
| dc.date.issued | 2024-05-28 | |
| dc.description.abstract | PHYSICAL-CHEMICAL STUDIES OF THE SYSTEM Na | Na-β/βʺ-Al2O3 | NaAlCl4 | Al OF A Na-Al BATTERY. The objective of this work was to understand the kinectics of the charge transfer processes at the interface Na | Na-β/βʺ-Al2O3. For this, a complete investigation of the system was necessary, from the manufacture of specific experimental devices for this type of battery, the production and characterization of the fused salt of sodium tetrachloride (NaAlCl4) and the solid electrolyte of Na-β/βʺ-alumina until the understanding of the electrochemical processes that occur at the interfaces of the system: Na(f) | Na-β/βʺ-alumina(s) | NaAlCl4(f) | Al. For the investigations, U-shaped electrochemical cells and specific ovens were designed and developed to operate at temperatures between 160 and 320 °C inside a dry box. The NaAlCl4 salt was synthesized in the laboratory from the sublimation of AlCl3 followed by reaction with NaCl at 185 °C, obtaining a yield of 92 %. The NaAlCl4 salt was also obtained from the oxidation of an Al electrode in an electrochemical cell. Both salts were characterized by melting point, X-ray diffratometry and Raman spectroscopy. Voltammetric studies of an Al working electrode in molten NaAlCl4 at 250 °C were carried out, using an Al(s)/AlCl4–(f) reference electrode. Processes associated with the reversible half-reaction Al(s) + 4Cl–(f) ↔ AlCl4–(f) + 3e– and also the half-reaction at 300 mV more positive potentials Al(s) + 7AlCl4–(f) ↔ 4Al2Cl7–(f) + 3e– were observed. Flat solid disks of Na-β/βʺ-alumina(s) were prepared and characterized at different temperatures by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). These discs prepared presented ~80% of the Na-βʺ-alumina phase with an ionic conductivity of 1.7 x 10–2 Ω–1 cm–1 for Na+ ions at 300 °C. The Arrhenius plot obtained for these discs showed a change in slope, indicating a change in the transport mechanism of Na+ ions above and below 188 °C, with values of activation energies, Ea of 0.39 and 0.67 eV, respectively. The Na-β/βʺ-alumina(s) discs showed a porosity of ~19 % due to some problems observed in the sintering process. To improve the wettability of Na(f) on the surface of Na-β/βʺ-alumina(s), a porous carbon black conductive paint with additives was developed. This paint was applied on the surface of Na-β/βʺ-alumina(s) with aid of an airbrush, in order to obtain good adhesion. Analysis by scanning electron microscopy (SEM) demonstrated topological and compositional homogeneity beyond a thickness of ~50 μm. Using the sodium sessile drop method at 250 °C, contact angles of Na(f) on the surfaces of Na-β/βʺ-alumina without and with the paint coating were determined, obtaining 145° and 38°, respectively. These results demonstrate the good wettability caused by the carbon black-based coating. Finally, studies of the redox processes at the Na(f) | Na-β/βʺ-alumina interface were carried out using galvanostatic and voltammetric measurements. The obtained results showed an ohmic behavior due to the resistivity of Na-β/βʺ-alumina. EIS measurements carried out at open circuit potential and between 160 and 320 °C for the interface Na(f) | Na-β/βʺ-alumina allowed determining the values of charge-transfer resistance and activation energy at this interface, resulting in 1.37 Ω cm–2 (at 250 °C) and 0.11 eV, respectively. From these results, it was possible to understand the resistive contribution of each interface during the charging and discharging processes of the cell Na(f) | Na-β/βʺ-alumina(s) | NaAlCl4(f) | Al. | eng |
| dc.description.resumo | ESTUDOS FÍSICO-QUÍMICOS DO SISTEMA Na | Na-β/βʺ-Al2O3 | NaAlCl4 | Al DE UMA BATERIA Na-Al. O objetivo deste trabalho foi compreender a cinética dos processos de transferência de carga da interface Na | Na-β/βʺ-Al2O3. Para tal, foi necessária uma investigação completa do sistema, desde a confecção dos aparatos experimentais específicos para este tipo de bateria, a produção e caracterização do sal fundido de tetracloroaluminato de sódio (NaAlCl4) e do eletrólito sólido de Na-β/βʺ-alumina, até a compreensão dos processos eletroquímicos que ocorrem nas interfaces do sistema: Na(f) | Na-β/βʺ-alumina(s) | NaAlCl4(f) | Al(s). Para as investigações, foram projetados e desenvolvidos uma célula eletroquímica em forma de U e fornos específicos para operar em temperaturas entre 160 e 320 °C dentro de uma caixa seca. O sal NaAlCl4 foi sintetizado no laboratório a partir da sublimação do AlCl3 seguida de reação com NaCl a 185 °C, obtendo-se um rendimento de 92 %. O sal NaAlCl4 também foi obtido a partir da oxidação de um eletrodo de Al numa célula eletroquímica contendo NaCl. Ambos os sais foram caracterizados por ponto de fusão, difratometria de raios X e espectroscopia Raman. Estudos voltamétricos de um eletrodo de trabalho de Al em NaAlCl4 fundido a 250 °C foram realizados usando um eletrodo de referência de Al(s)/AlCl4–(f). Observaram-se processos associados à semi-reação reversível Al(s) + 4Cl–(f) ↔ AlCl4–(f) + 3e– e também à semi-reação Al(s) + 7AlCl4–(f) ↔ 4Al2Cl7–(f) + 3e– para valores de potencial 300 mV mais positivos. Discos sólidos planos de Na-β/βʺ-alumina(s) foram preparados e caracterizados em diferentes temperaturas por espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). Estes discos apresentaram ~80 % da fase Na-βʺ-alumina com uma condutividade iônica de 1,7 x 10–2 Ω–1 cm–1 para os íons Na+ a 300 °C. A representação de Arrhenius obtida para estes discos mostrou uma mudança de coeficiente angular, sugerindo uma mudança no mecanismo de transporte dos íons Na+ acima e abaixo de 188 °C, com valores de energia de ativação, Ea de 0,39 e 0,67 eV, respectivamente. Os discos de Na-β/βʺ-alumina apresentaram uma porosidade de ~19 % devido a alguns problemas encontrados no processo de sinterização. Para melhorar a molhabilidade do Na(f) na superfície da Na-β/βʺ-alumina, foi desenvolvida uma tinta condutora porosa de negro de acetileno com aditivos. Esta tinta foi aplicada sobre a superfície da Na-β/βʺ-alumina com auxílio de um aerógrafo, a fim de ser obter boa aderência. Análises por microscopia eletrônica de varredura (MEV) demostraram homogeneidade topológica e de composição além de uma espessura de ~50 μm. Utilizando o método de gota séssil de sódio a 250 °C, determinaram-se os ângulos de contato do Na(f) sobre superfícies de Na-β/βʺ-alumina sem e com o recobrimento de tinta, obtendo-se 145° e 38°, respectivamente. Estes resultados demostram a boa molhabilidade causada pelo recobrimeto à base de negro de acetileno. Por fim, realizaram-se estudos dos processos redox na interface Na(f) | Na-β/βʺ-alumina por meio de medidas galvanostáticas e voltamétricas. Os resultados obtidos mostraram um comportamento ôhmico devido à resistividade da Na-β/β”-alumina. Medidas de EIS realizadas no potencial de circuito aberto e entre 160 e 320 °C para a interface Na(f) | Na-β/βʺ-alumina permitiram determinar os valores de resistência à transferência de carga e de energia de ativação nesta interface, resultando em 1,37 Ω cm–2 (a 250 °C) e 0,11 eV, respectivamente. A partir destes resultados, foi possível entender a contribuição resistiva de cada interface durante os processos de carregamento e descarregamento da célula Na(f) | Na-β/βʺ-alumina(s) | NaAlCl4(f) | Al(s). | por |
| dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
| dc.description.sponsorshipId | Processo Nº 165119/2021-7, Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) | por |
| dc.identifier.citation | GRESPAN, Giovani Luiz. Estudos físico-químicos do sistema Na | Na-β/βʺ-Al2O3 | NaAlCl4 | Al de uma bateria Na-Al. 2024. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21071. | por |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21071 | |
| dc.language.iso | por | por |
| dc.publisher | Universidade Federal de São Carlos | por |
| dc.publisher.address | Campus São Carlos | por |
| dc.publisher.initials | UFSCar | por |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Química - PPGQ | por |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | * |
| dc.subject | Baterias | por |
| dc.subject | Baterias de sais fundidos | por |
| dc.subject | Sais fundidos | por |
| dc.subject | Baterias de sódio | por |
| dc.subject | Baterias Na-Al | por |
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| dc.subject | Batteries | eng |
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| dc.subject | Molten salts | eng |
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| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA | por |
| dc.subject.cnpq | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA | por |
| dc.subject.cnpq | ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA | por |
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| dc.title.alternative | Physicochemical studies of the Na | Na-β/βʺ-Al2O3 | NaAlCl4 | Al system in a Na-Al battery | eng |
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| dc.title.alternative | Études physico-chimiques du système Na | Na-β/βʺ-Al2O3 | NaAlCl4 | Al dans une batterie Na-Al | fra |
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