DESENVOLVIMENTO DE SUPERCAPACITORES HÍBRIDOS EM FIBRA DE CARBONO SINTETIZADOS COM POLÍMEROS CONDUTORES

Abstract

Research into supercapacitors plays a crucial role in the global energy transition, offering a promising alternative to conventional batteries, especially in integration with renewable energy sources. These devices are essential for applications that require instant and repeated supply of high power, such as electric vehicles and energy storage systems. Supercapacitors stand out for their ability to charge and discharge quickly, as well as having an extremely long life cycle, exceeding half a million cycles, which reduces operating costs and extends the useful life of the systems. This work seeks advances in the materials used, with the aim of improving the energy density of supercapacitors, and proposes new manufacturing strategies for more efficient and durable solutions. Carbon fiberbased supercapacitors are promising technologies for storing energy in flexible structures, due to their higher power density, long service life, high flexibility, mechanical resistance and fast response, when compared to traditional energy storage systems. In this study, carbon fibre electrodes were coated with polyaniline (PANI) and poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) films in different concentrations using a simple electropolymerization technique. The electrodes were electrochemically characterized by Cyclic Voltammetry (CV), Galvanostatic Charge–Discharge (GCD), and Electrochemical Impedance Epectroscopy (EIS), aiming to evaluate their performance at different current densities and scan rates. The devices exhibited a maximum specific capacitance of 500 F/cm² at a current density of 2 mA/cm² in sulfuric acid, with GCD curves showing high symmetry and low internal resistance. Morphological and structural analyses performed by field-emission scanning electron microscopy (FESEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the presence and integration of PANI and PEDOT on the surface of the carbon fiber electrode. This work offers a simple, economical and easily reproducible method for manufacturing flexible carbon fiber electrodes coated with PANI-PEDOT films, with potential application in wearable technologies and portable devices

A pesquisa sobre supercapacitores desempenha um papel crucial na transição energética global, oferecendo uma alternativa promissora às baterias convencionais, especialmente na integração com fontes de energia renováveis. Esses dispositivos são essenciais para aplicações que exigem fornecimento instantâneo e repetido de alta potência, como veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia. Supercapacitores destacam-se pela capacidade de carregar e descarregar rapidamente, além de poderem apresentar um ciclo de vida longo, superando as dezenas de milhares de ciclos, o que reduz os custos operacionais e prolonga a vida útil dos sistemas. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de novos materiais funcionais, com capacidade de aumentar a densidade de energia dos supercapacitores, além de propor novas estratégias de fabricação para soluções mais eficientes e duráveis. Supercapacitores à base de fibra de carbono se apresentam como tecnologias promissoras para o armazenamento de energia em estruturas flexíveis, devido à sua maior densidade de potência, longa vida útil, alta flexibilidade, resistência mecânica e resposta rápida, quando comparados aos sistemas de armazenamento de energia tradicionais. Neste estudo, eletrodos de fibra de carbono foram revestidos com filmes de Polianilina (PANI) e Poli(3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) em diferentes concentrações, por meio de uma técnica simples de eletropolimerização.Os eletrodos foram caracterizados eletroquimicamente por Voltametria Cíclica (CV), Carga e Descarga Galvanostática (CDG) e Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS), visando à avaliação do desempenho em diferentes densidades de corrente e taxas de varredura. Os dispositivos apresentaram capacitância específica máxima de 500 F/cm² em uma densidade de corrente de 2mA/cm², em ácido sulfúrico, com curvas de CDG revelando elevada simetria e baixa resistência interna. Análises morfológicas e estruturais realizadas por microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FESEM), espectroscopia por dispersão de energia (EDS) e espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) confirmaram a presença e a integração de PANI e PEDOT sob a superfície do eletrodo de fibra de carbono. Este trabalho oferece um método simples, econômico e facilmente reproduzível para a fabricação de eletrodos flexíveis de fibra de carbono revestidos com filmes de PANI-PEDOT, com potencial aplicação em tecnologias vestíveis e dispositivos portáteis.