Proposta de trabalho para o mestrado sobre baterias feitas com grafeno

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
PROGRAMA DE ENGENHARIA OCEÂNICA COPPE/UFRJ
PROPOSTA DE DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
BATERIAS PARA SISTEMAS DE PROPULSÃO ELÉTRICA
UTILIZANDO O GRAFENO
MESTRANDO
ESTER BARROSO PIRES
RIO DE JANEIRO
OUTUBRO – 2014

2. ÍNDICE
1. INTRODUÇÃO............................................................................................................................2
EVOLUÇÃO DE BATERIAS COM A UTILIZAÇÃO DO GRAFENO............................................................2
2. OBJETIVO...................................................................................................................................3
3. METODOLOGIA........................................................................................................................4
4. CRONOGRAMA.........................................................................................................................4
5. REFERÊNCIAS...........................................................................................................................5
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3. Evolução de baterias para sistemas de propulsão
elétrica utilizando o grafeno
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Programa de Engenharia Oceânica COOPE/ UFRJ
Proposta de Dissertação de Mestrado
Outubro de 2014
Mestrando:
Ester Barroso Pires
Resumo. O presente trabalho aborda um estudo tecnológico em grafeno, que é
atualmente um dos mais promissores nanomateriais em estudo no mundo, devido às suas
excelentes propriedades elétricas, térmicas e ópticas. Utilizando as propriedades de
condutividade e armazenamento de energia, estudos se aprofundam cada vez mais no
aperfeiçoamento de superbaterias. Foram identificados através do site do Conselho
Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) 12 grupos com linha de
pesquisa em grafeno no Brasil, verificando-se uma tendência ao crescimento no número de
publicações científicas. Com isso pesquisadores podem adquirir um maior conhecimento
sobre as técnicas e sobre como elas podem ser melhoradas.
Palavras-chave: Grafeno, baterias, superbaterias.
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4. 1. Introdução
Criar uma bateria superpoderosa é um dos principais objetivos que temos no mundo da
tecnologia. O problema é que até agora nunca foi encontrada uma boa solução para isso: as
baterias atuais são inevitavelmente lentas para carregar e possuem uma baixa capacidade de
armazenar energia. Já os capacitores, considerados a principal alternativa, carregam
absurdamente rápido, mas descarregam a uma velocidade ainda maior.
Muitos cientistas acreditavam que a resposta seria criar o que eles chamam de
“supercapacitor”, um capacitor capaz de ser carregado rapidamente e que conseguisse
armazenar grandes quantidades de energia. E é claro que ninguém teve sucesso na criação
dessa bateria utópica.
Evolução de baterias com a utilização do grafeno
Nas baterias atuais é usado um catodo de óxido de metal, um anodo de grafite e lítio
na forma de um sal. Durante a descarga da bateria, o lítio é forçado para fora do anodo e ao
recarregar o processo é revertido. É precisamente a capacidade do anodo de armazenar e
transferir o lítio durante os ciclos de carga e descarga que determinam a densidade da
bateria e é exatamente nessa área em que o grafeno entra.
Embora o grafite seja composto de folhas de grafeno empilhadas naturalmente pela
natureza, os pesquisadores conseguiram tornar o material muito mais eficiente para a tarefa
produzindo uma espécie de grafite manufaturado, criado a partir da combinação de folhas
individuais de grafeno com milhões de pequenos orifícios de 10 a 20 nm de comprimento.
Com isso, em vez de os íons de lítio precisar passar pelas bordas de cada camada de
grafeno, eles podem passar através delas, tornando o processo muito mais eficiente.
A modificação foi potencializada pela introdução de granulos de silício entre as camadas de
grafeno. Cada átomo de silício permite armazenar 4 ions de lítio, enquanto que são
necessários 6 átomos de carbono do grafeno para armazenar um único ion. Com a
combinação das duas técnicas, chegaram a uma bateria capaz de armazenar 10 vezes mais
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5. energia que uma bateria li-ion atual com o mesmo volume e pode ser carregada em apenas
15 minutos, contra duas horas das atuais.
Por enquanto, a única grande diferença entre esta super-bateria e as atuais é o anodo, o que
abre a possibilidade de ganhos ainda superiores serem obtidos com modificações também
no catodo e no eletrólito. O grande problema por enquanto é como repetir a técnica em
escala industrial, já que fabricar anodos de bateria empilhando individualmente folhas de
grafeno processado tende a ser muito caro e demorado. Pode demorar vários anos até que
alguém apareça com uma solução para produzir as super-baterias em larga escala.
2.Objetivo
O objetivo deste trabalho é produzir e avaliar amostra de grafeno, a fim de avaliar e
testar suas propriedades de condutividade, posteriormente testa-lo para aprimoramento de
baterias a qual será utilizada como suprimento de eletricidade para motores elétricos.
Resultados esperados
Os principais resultados esperados nesta pesquisa são listados a seguir:
· Concepção de modelos do material “Grafeno” .
· Um estudo sobre a condutividade gerada pelos modelos.
· Um estudo quantitativo sobre algumas técnicas de melhoramento de baterias
em velocidade de carregamento e potência de armazenamento
· A publicação de um artigo sobre o tema da pesquisa.
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6. 3.Metodologia
A seguir estão listadas as principais atividades que serão realizadas a durante a
pesquisa.
Revisão bibliográfica. Nesta etapa serão estudados artigos e livros sobre baterias em
gerias e a condutividade do grafeno em baterias. Ao fim desta etapa será produzido um
relatório sobre o tema estudado.
Planejamento dos experimentos. Nesta etapa serão definidos experimentos cujo
objetivo é melhorar o nível de baterias ao ponto de serem utilizadas para o sistema de
propulsão elétrica. No final será redigido um plano de experimentos.
Modelagem. Nesta etapa serão executados os experimentos planejados e, com base
nos padrões observados, serão concebidos e implementados modelos de experimentos.
Avaliação. Nesta etapa os modelos serão simulados e os sistemas gerados
artificialmente serão avaliados. Os resultados serão relatados em um artigo. Os modelos
mais adequados serão usados na avaliação.
Escrita e publicação. Nesta etapa será escrito um artigo com os resultados da
pesquisa. Também será escrita a dissertação de mestrado. Esta etapa culmina com a entrega
e a apresentação da dissertação.
4.Cronograma
Atividade mês 2015 2016
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04
Revisão bibliográfica
Planejamento dos experimentos
Modelagem
Avaliação dos resultados
Escrita e publicação
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7. 5.Referências
Kholmanov IN, Cavaliere E, Cepek C, Gavioli L. “Catalytic chemical vapor
deposition of methane on graphite to produce graphene structures”. Carbon. 2010, 48:
1619-1625.
Frazier RM, Daly DT, Swatloski RP, Hathcock KW. Recent Progress in Graphene-
Related Nanotechnologies. Recent Nanotechnology. 2009, 3: 164-176.
Baluch AS, Wilson B, Miller JC. Patenting graphene: opportunities and challenges.
Nanotechnol. Law & Business, 2008.
D. Srivastava, C. Wei and K. Cho, Appl. Mech. Rev. 56, 215 (2003).
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8. 5.Referências
Kholmanov IN, Cavaliere E, Cepek C, Gavioli L. “Catalytic chemical vapor
deposition of methane on graphite to produce graphene structures”. Carbon. 2010, 48:
1619-1625.
Frazier RM, Daly DT, Swatloski RP, Hathcock KW. Recent Progress in Graphene-
Related Nanotechnologies. Recent Nanotechnology. 2009, 3: 164-176.
Baluch AS, Wilson B, Miller JC. Patenting graphene: opportunities and challenges.
Nanotechnol. Law & Business, 2008.
D. Srivastava, C. Wei and K. Cho, Appl. Mech. Rev. 56, 215 (2003).
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