Um circuito equivalente genérico de eletrodos porosos usados em supercapacitores para modelar resultados eletroquímicos obtidos por diferentes técnicas

Abstract

Um circuito elétrico foi proposto para o estudo de eletrodos rugosos/porosos empregados em supercapacitores utilizando apenas elementos passivos, resistores e capacitores, de maneira que se possa não só conhecer a natureza porosa deste material, mas também possibilitar a interpretação dos achados eletroquímicos por meio de diferentes técnicas eletroquímicas empregadas. Para isso um eletrodo de carvão ativado foi estudado em célula de três eletrodos e todas os resultados obtidos pelas técnicas eletroquímicas foram discutidas através das equações escritas pelos princípios físicos de um circuito eletroquímico genérico com três ramos RC em paralelo. As equações foram obtidas baseadas nos princípios físicos deste circuito elétrico e forneceram bons ajustes aos dados experimentais obtidos pelas quatro técnicas eletroquímicas, que juntamente com os resultados morfológicos colaboraram para o entendimento da característica porosa do material. A capacitância e resistência estão distribuídas ao longo do eletrodo de acordo com o tamanho do poro do material e são ativadas à medida que o sinal de excitação particular de cada técnica consegue penetrar na região, já que a largura do poro fictício representando diferentes defeitos de superfície pode dificultar o acesso do eletrólito nas regiões “internas” e “externas” da superfície morfológica heterogênea, e isso pôde ser medido de maneira quantitativa. Para cada técnica, foi observado um comportamento de penetração de sinal de excitação diferente, regrado pela distribuição dos poros e refletindo no valor da capacitância distribuída do material. A capacitância total para o carvão ativado comercial analisado variou de 160 a 240 F g−¹ , dependendo do sinal de excitação utilizado, mas a distribuição interna das capacitâncias apresentou a mesma tendência. As técnicas de espectroscopia de impedância eletroquímica e cronoamperometria apresentaram concordância, tanto em valores distribuídos, quando nos valores de capacitância e resistência total, mostrando assim que independente do regime, seja no domínio da frequência ou do tempo, um modelo robusto pode caracterizar o material de forma mais próxima à realidade. O modelo apresentado neste trabalho ainda foi utilizado com sucesso para caracterizar dispositivos completos, independentemente de sua configuração, desde que as características supercapacitivas estejam presentes, servindo também de amparo nas tomadas de decisão na engenharia de dispositivos.