Desenvolvimento de matrizes carbonáceas derivadas de casca de arroz e CMK-3 para baterias de lítio-enxofre: caracterização e aplicação em coin cells

dc.contributor.advisor-co1Agostini, Marco
dc.contributor.advisor-co1orcidhttps://orcid.org/0000-0002-4152-8894
dc.contributor.advisor1Paris, Elaine Cristina
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8475640212486290
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0001-8599-9674
dc.contributor.authorRuellas, Thamara Machado de Oliveira
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/0568433261494124
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0002-7192-6068
dc.date.accessioned2025-03-12T20:28:58Z
dc.date.issued2024-12-16
dc.description.abstractLithium-sulfur batteries (LSBs) emerge as a promising alternative for energy storage, gaining renewed international interest due to their high theoretical energy density and the low cost of sulfur. However, they still face challenges, such as sulfur’s low electrical conductivity, the shuttle effect caused by soluble polysulfides, and volumetric expansion during cycling, which can compromise performance and lifespan. In this thesis, first- and second-generation carbonaceous materials derived from rice husk (RHC) and mesoporous carbon (CMK-3), respectively, were developed and characterized, focusing on their application as cathode materials in LSBs. For the development of CMK-3, SBA-15 was used as a mesoporous template, followed by an optimized washing protocol that ensured efficient removal of residual silica, resulting in a carbonaceous matrix with high surface area and suitable porosity for sulfur infiltration. Sulfur infiltration studies showed that silica content influences the optimal infiltration temperature, which is 155 °C for CMK-3 with low silica content and 165 °C for both CMK-3 with high silica content (CMK-3_SiO2) and RHC. Electrochemical characterization demonstrated that CMK-3 with low silica content achieved a specific capacity of up to 771 mAh/g, with a capacity retention of around 75% after 150 cycles at C/10. In contrast, RHC, even without additional treatments for silica removal, exhibited significant cycle stability, maintaining a capacity close to 500 mAh/g over prolonged cycling. The addition of Nb2O5 nanofibers as a coating on RHC/S electrodes promoted faster stabilization of specific capacity and sustained stability over 150 cycles. Optimizing cell assembly parameters, including the selection of a Whatman glass fiber separator and proper electrolyte distribution, was essential for enhancing electrochemical performance. The results obtained demonstrate the potential of the developed materials for applications in lithium-sulfur batteries and provide new insights into the underlying mechanisms, paving the way for future research and technological innovations in the field.eng
dc.description.resumoAs baterias de lítio-enxofre (LSBs) apresentam-se como uma alternativa promissora para o armazenamento de energia, sendo revisitadas internacionalmente devido à alta densidade energética teórica e ao custo reduzido do enxofre. No entanto, ainda enfrentam desafios, como a baixa condutividade elétrica do enxofre, o efeito shuttle causado pelos polissulfetos solúveis e a expansão volumétrica durante os ciclos, que podem comprometer o desempenho e a vida útil das LSBs. Nesta tese, foram desenvolvidos e caracterizados materiais carbonáceos de primeira e segunda geração, derivados da casca de arroz (RHC) e do carbono mesoporoso (CMK-3), respectivamente, com foco em sua aplicação como materiais catódicos em LSBs. Para o desenvolvimento do CMK-3, foi empregado o SBA-15 como molde mesoporoso, seguido por um protocolo de lavagem otimizado que garantiu a remoção eficiente da sílica residual, resultando em uma matriz carbonácea com alta área de superfície e porosidade adequada à infiltração de enxofre. Em estudos de infiltração, observou-se que a presença de sílica altera a temperatura ótima de infiltração, sendo 155 °C para o CMK-3 com baixo teor de sílica e 165 °C para o CMK-3 com alto teor de sílica (CMK-3_SiO2) e para o RHC. As caracterizações eletroquímicas mostraram que o CMK-3 com baixo teor de sílica alcançou uma capacidade específica média de até 771 mAh/g no primeiro ciclo, com retenção de cerca de 75% da capacidade após 150 ciclos a C/10. Por outro lado, o RHC, mesmo sem tratamentos adicionais para remoção da sílica, apresentou estabilidade ciclável significativa, mantendo capacidades médias próximas a 500 mAh/g ao longo dos ciclos. A adição de nanofibras de Nb2O5 como revestimento nos eletrodos de RHC/S promoveu uma estabilização mais rápida da capacidade específica e manteve a estabilidade de forma pronunciada ao longo de 150 ciclos. A otimização dos parâmetros de montagem das células, incluindo a seleção do separador de fibra de vidro Whatman e a distribuição adequada do eletrólito, foi essencial para melhorar o desempenho eletroquímico. Os resultados obtidos mostram o potencial dos materiais desenvolvidos para aplicações em baterias de lítio-enxofre e oferecem novas perspectivas sobre os mecanismos envolvidos, abrindo possibilidades para futuras pesquisas e inovações tecnológicas na área.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.description.sponsorshipId88887.597442/2021-00
dc.description.sponsorshipId88887.717227/2022-00
dc.identifier.citationRUELLAS, Thamara Machado de Oliveira. Desenvolvimento de matrizes carbonáceas derivadas de casca de arroz e CMK-3 para baterias de lítio-enxofre: caracterização e aplicação em coin cells. 2024. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/21541.por
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/21541
dc.language.isopor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQ
dc.rightsAttribution-NonCommercial 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/br/
dc.subjectBaterias de lítio-enxofre (LSBs)
dc.subjectMatrizes carbônicas
dc.subjectMateriais catódicos
dc.subjectInfiltração de enxofre
dc.subjectEfeito shuttle
dc.subjectCapacidade ciclável
dc.subjectLithium-sulfur batteries (LSBs)
dc.subjectCarbonaceous matriceseng
dc.subjectCathode materialseng
dc.subjectSulfur infiltrationeng
dc.subjectShuttle effecteng
dc.subjectCycle stabilityeng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOS
dc.titleDesenvolvimento de matrizes carbonáceas derivadas de casca de arroz e CMK-3 para baterias de lítio-enxofre: caracterização e aplicação em coin cells
dc.title.alternativeDevelopment of carbonaceous matrices derived from rice husk and CMK-3 for lithium-sulfur batteries: characterization and application in coin cellseng
dc.typeTese

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