Armazenamento Avançado de Energia


Coordenador do programa
Rubens Maciel Filho – UNICAMP – Escola de Engenharia Química – maciel@feq.unicamp.br

Pesquisadores principais
Antonio Riul Junior – UNICAMP – Instituto de Física Gleb Wataghin – ariuljr@gmail.com
Gustavo Doubek – UNICAMP – Faculdade de Engenharia Química – doubek@unicamp.br
Hudson Zanin – UNICAMP – Escola de Engenharia Elétrica e de Computação – hudsonzanin@gmail.com

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Publicações
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Em 2050, espera-se que a eletricidade passe de 18% para 50% da matriz energética mundial e as fontes renováveis de energia se expandam quatro vezes em relação à capacidade instalada atual, mas as emissões de CO2 devem ser a metade do valor atual. Nesse cenário, é imperativo construir novas soluções para armazenamento de energia que ainda não estão disponíveis hoje e podem lidar com as demandas previstas. Além disso, o aumento mundial de dispositivos eletrônicos portáteis e vestíveis incentiva a pesquisa em dispositivos de armazenamento e fornecimento de energia de baixo custo, flexíveis, leves e ecologicamente corretos.

Para armazenar e fornecer energia de maneira eficaz, o avanço das baterias e supercapacitores é vital para torná-los economicamente mais viáveis para aplicações que vão das comunicações ao transporte. A capacidade desses dispositivos de armazenar e redistribuir energia de maneira eficaz e eficiente depende muito da engenharia de suas construções e da química das superfícies dos eletrodos e das interfaces dos eletrodos/ eletrólitos. Alta área de superfície, eletrodos quimicamente estáveis e conhecimento da interface eletrodo/ eletrólito são cruciais para baterias e supercapacitores.

Para se compreender a operação e desenvolver novos e mais eficientes materiais e eletrólitos para dispositivos, uma compreensão química e estrutural abrangente dos fenômenos de interface é fundamental. Portanto, o Programa de Armazenamento Avançado de Energia (AES, na sigla em inglês) do CINE estuda baterias e supercapacitores de última geração sob condições dinâmicas por espectroscopias Raman e FTIR e raios X síncrotron de alta intensidade. O Raman e o FTIR são realizados a partir de fibras ópticas, acoplando células a espectrômetros, permitindo monitorar as reações durante a carga e descarga de um dispositivo. A difração de raios X de alta resolução e resolução no tempo in situ será realizada no SLAC – Stanford. As técnicas in situ serão desenvolvidas para condições operando para abordar fenômenos interfaciais fundamentais que podem ser associados com cálculos multiescala e simulações de dinâmica molecular. Esta ferramenta personalizada trabalhará em sinergia com a síntese de novos materiais baseados em carbono de alta superfície e eletrodos de transferência rápida de carga.

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Projetos

Coordenador do projeto: Hudson Zanin – UNICAMP – Escola de Engenharia Elétrica e de Computação – hudsonzanin@gmail.com

Os principais objetivos são desenvolver materiais à base de carbono altamente porosos e estudar os efeitos de diferentes funcionalizações de superfície para aplicação em dispositivos supercapacitores. Após cinco anos de pesquisa, espera-se melhorar o armazenamento e fornecimento de densidades de alta energia (100Wh / kg) e potência (100kW / kg), mantendo pelo menos 80% delas após 100.000 ciclos de carga e descarga como o estado atual da arte.

Coordenador do projeto: Hudson Zanin – UNICAMP – Escola de Engenharia Elétrica e de Computação – hudsonzanin@gmail.com

Os principais objetivos são desenvolver dispositivos supercapacitores para o armazenamento e entrega de alta energia (100Wh / kg) e densidades de potência (100kW / kg) e avaliar várias interfaces eletrodo / eletrólito em vários modos de operação. Mais especificamente, o objetivo é estudar o carregamento e a descarga durante testes cíclicos em dispositivos produzidos com eletrodos de carbono compostos por mesoporosos (poros de 2 a 50nm) e alta área superficial (> 300m2 / g) imersos em eletrólitos aquosos, orgânicos e iônicos. Serão investigadas transformações superficiais nos processos de carga e descarga e modificações superficiais que levam o dispositivo ao colapso e, dessa forma, propor soluções que busquem aumentar sua vida útil. Buscar manter pelo menos 80% da energia, potência e capacitância iniciais após 100.000 ciclos é uma meta pretendida. Para isso, diferentes eletrodos, eletrólitos e tipos de vedação dos dispositivos serão investigados em detalhes, bem como diversas técnicas de caracterização in situ como Raman, SECM, FTIR, AFM, SEM e XRP, entre outras.

Coordenador do projeto: Gustavo Doubek – UNICAMP – Escola de Engenharia Química – doubek@unicamp.br

O projeto visa desenvolver novos protótipos em células de Li-O2 para caracterização in-situ em condições reais de operação. As caracterizações a serem empregadas são FTIR, Raman e raios-X por luz síncrotron; a combinação de informações entre as diferentes técnicas permitirá uma compreensão significativa da química de superfície e da interação das espécies formadas com os eletrodos utilizados.

Coordenador do projeto: Gustavo Doubek – UNICAMP – Escola de Engenharia Química – doubek@unicamp.br
Antonio Riul Junior – UNICAMP – Instituto de Física Gleb Wataghin – ariuljr@gmail.com
O projeto visa desenvolver novos eletrodos para serem aplicados como cátodo em células de Li-O2. Os eletrodos serão feitos de carbono com base no crescimento de novas geometrias de CNT e grafeno funcionalizado, além de explorar a sinergia com metais nobres nanoestruturados. O projeto também trabalha no desenvolvimento de mediadores redox para reações de O2, a fim de melhorar a robustez do projeto do eletrodo. Técnicas de caracterização in-situ em condições reais de operação, realizadas em projeto à parte, também contribuirão para o desenvolvimento de novos eletrodos.

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