Preparação e caracterização de electrólitos sólidos poliméricos baseados em ligas de polímeros

Abstract

Os electrólitos sólidos poliméricos são uma classe de materiais condutores de iões passíveis de ser aplicados numa grande variedade de dispositivos electroquímicos como células de lítio, células de combustível, sensores ou dispositivos electrocrómicos. A utilização daquele tipo de materiais possibilitaria uma diminuição do peso e do volume destes dispositivos, melhorando ao mesmo tempo os parâmetros de operação. A ausência de um electrólito líquido permitiria custos mais baixos ao nível de vedações, uma arquitectura mais simples e a diminuição dos riscos associados, por exemplo, à evolução de gases no interior do dispositivo. Um electrólito sólido polimérico é um sistema constituído por um polímero hospedeiro e um sal. O polímero hospedeiro permite a movimentação de iões entre “locais de hospedagem”, favorecendo assim a condução iónica. O polímero hospedeiro mais extensamente estudado é o poli(óxido de etileno). Apesar de todos os esforços, as condutividades alcançadas para electrólitos baseados em poli(óxido de etileno) não são ainda suficientes para permitir aplicações comercialmente competitivas. Para além disto, o poli(óxido de etileno) é um polímero cristalino que tende a ser quebradiço. Esta propriedade torna difícil um bom contacto com os eléctrodos, por exemplo, numa célula de lítio. No âmbito deste trabalho de dissertação, foram preparados filmes finos de electrólitos sólidos poliméricos constituídos por poli(óxido de etileno), poli(carbonato de trimetileno) e tetrafluoroborato de lítio. Os filmes preparados foram caracterizados por Espectroscopia de Impedância Electroquímica, Calorimetria Diferencial de Varrimento e Análise Termogravimétrica. Os estudos de caracterização revelam que a mistura de pequenas proporções de poli(carbonato de trimetileno), um polímero amorfo, permite uma notável melhoria nas propriedades mecânicas dos filmes, produzindo-se assim filmes mais finos e flexíveis. Para determinadas composições, foi ainda possível uma melhoria de condutividade relativamente a filmes contendo apenas o polímero poli(óxido de etileno). Este estudo demonstra que o poli(carbonato de trimetileno) deve ser visto como um polímero a ter em consideração para a melhoria das propriedades mecânicas de electrólitos sólidos baseados em poli(óxido de etileno), sem comprometer a sua condutividade e sem as desvantagens associadas à introdução de líquidos plasticizantes.

Solid polymer electrolytes form a class of ion-conducting materials that may find application in a great variety of electrochemical devices such as lithium cells, fuel cells, sensors or electrochromic displays. The use of this type of material would make possible a marked reduction of the weight and volume of these devices and at the same time an improvement in certain operational characteristics. The absence of a liquid electrolyte would allow a simpler architecture, less expensive in terms of seals and would also permit a significant reduction of the risk associated with the evolution of gas inside the device. A solid polymer electrolyte is a system containing a host polymer and a guest salt. The host polymer structure allows the ions to “hop” between complexation sites, favoring the conduction of ions. The most widely studied host polymer is poly(ethylene oxide). In spite of all recent efforts, conductivity levels achieved for poly(ethylene oxide) based electrolytes are still not high enough to allow commercially competitive applications. Poly(ethylene oxide) is a very crystalline polymer that tends to be brittle. This property makes establishing a good contact with the electrodes, for instance in a lithium cell, more difficult than in competing liquid electrolyte systems. The objective of this thesis was the preparation of thin films based on blends of poly(ethylene oxide) and poly(trimethylene carbonate) with lithium tetrafluoroborate as guest salt. The films were characterized by Electrochemical Impedance Spectroscopy, Differential Scanning Calorimetry and Thermogravimetric analysis. The characterization studies revealed that adding small amounts of poly(trimethylene carbonate), an amorphous polymer, allows a marked improvement in the mechanical properties of the films. For certain film compositions, a concomitant increase in conductivity was observed relative to films containing only poly(ethylene oxide) as host polymer.