???jsp.display-item.social.title??? |
![]() ![]() |
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://tede.ufam.edu.br/handle/tede/11203
???metadata.dc.type???: | Tese |
Title: | Understanding the lithium salts effects on PVA-based membranes from an experimental vision for solid-state electrolytes |
???metadata.dc.creator???: | Pinto, Yan Matheus Colares ![]() |
???metadata.dc.contributor.advisor1???: | Ruiz, Yurimiler Leyet |
First advisor-co: | Domínguez, Lianet Aguilera |
???metadata.dc.contributor.referee1???: | Ruiz, Yurimiler Leyet |
???metadata.dc.contributor.referee2???: | Zayas, Fidel Guerrero |
???metadata.dc.contributor.referee3???: | Ghosh, Angsula |
???metadata.dc.contributor.referee4???: | Rivera, Jose Anglada |
???metadata.dc.contributor.referee5???: | Guerra, José de los Santos |
???metadata.dc.description.resumo???: | The growing demand for safer, more stable, and efficient energy storage devices has driven the development of solid polymer electrolytes, which can enhance both the performance and safety of modern batteries. In this context, the present work aims to investigate the influence of different concentrations of ionic salts on poly(vinyl alcohol) (PVA)-based polymer membranes, aiming at their use in this application. PVA membranes with the addition of lithium hydroxide (LiOH) at concentrations 1, 3, 5, 7, and 9% and lithium perchlorate (LiClO4) at concentrations 1, 5, and 10% were prepared using the solvent casting method (SCM) and characterized with respect to their structural, morphological, thermal, mechanical, and ionic properties. Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy indicated interactions between Li+ ions and the polymer matrix, as confirmed by density functional theory (DFT) calculations, which revealed a strong ionic coordination mechanism with formation energies of –1.27 eV and Li–O bond lengths ranging from 1.85 Å to 1.96 Å, depending on the increasing salt content. Complementarily, X-ray diffraction (XRD) revealed a monoclinic phase (space group P21/m) and crystallinities close to 30%, classifying the materials as semicrystalline. Thermal characterization by thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry (TGA/DSC) showed good correlation with the XRD data, in addition to increased transition temperatures, reaching Tg = 84.3 °C, Tm = 199.5 °C, and TD = 299 °C for up to 9% LiOH and 5% LiClO4, with a decrease observed only in the sample containing 10% perchlorate. Scanning electron microscopy (SEM) images revealed smooth surfaces and signs of internal stress at high salt concentrations, particularly with LiClO4, prompting the evaluation of mechanical performance by dynamic mechanical analysis (DMA) and tensile testing, which showed storage modulus values in the MPa range and elongation above 300%, indicating good flexibility and structural integrity.Additionally, ionic transport properties were investigated by complex impedance spectroscopy (CIS), with analysis based on equivalent circuit models, the Havriliak–Negami function, and Jonscher’s power law. Both systems exhibited improvements in ionic conductivity, with values on the order of 10−6 S/cm and 10−5 S/cm, and relaxation times of 10−5 s. These results demonstrate the potential of the membranes as promising candidates for solid electrolytes in advanced energy storage devices. |
Abstract: | A crescente demanda por dispositivos de armazenamento de energia mais seguros, estáveis e eficientes tem motivado o desenvolvimento de eletrólitos poliméricos sólidos, capazes de melhorar o desempenho e a segurança das baterias modernas. Nesse contexto, este trabalho tem como objetivo investigar a influência de diferentes concentrações de sais iônicos em membranas poliméricas à base de álcool polivinílico (PVA), visando seu uso nessa aplicação. As membranas de PVA com adição de hidróxido de lítio (LiOH) nas concentrações de 1, 3, 5, 7 e 9% e perclorato de lítio (LiClO4) nas concentrações de 1, 5 e 10% foram obtidas por moldagem via evaporação de solvente (SCM) e caracterizadas quanto às propriedades estruturais, morfológicas, térmicas, mecânicas e iônicas. A espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR) indicou interações entre os íons Li+ e a matriz polimérica, resultado confirmado pelos cálculos de teoria funcional da densidade (DFT), que apontaram um mecanismo de forte coordenação iônica com energia de formação de –1,27 eV e comprimento de ligação Li–O entre 1,85 Å e 1,96 Å, em função do aumento da proporção de sais. Complementarmente, a difração de raios X (DRX) revelou fase monoclínica (grupo espacial P21/m) e cristalinidades próximas a 30%, classificando os materiais como semicristalinos. A caracterização térmica por análise termogravimétrica e calorimetria diferencial (TGA/DSC) mostrou boa correlação com os dados de DRX, além do aumento das temperaturas de transição, atingindo Tg = 84,3 °C, Tm = 199,5 °C e TD = 299 °C até 9% de LiOH e 5% de LiClO4, com queda apenas na amostra com 10% de perclorato. As imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) evidenciaram superfícies suaves e sinais de tensões internas em concentrações elevadas de sal, especialmente com LiClO4, por isso, o desempenho mecânico foi avaliado por análise mecânica dinâmica (DMA) e testes de tração, revelando módulo de armazenamento na faixa dos MPa e alongamento acima de 300%, indicando boa flexibilidade e integridade estrutural. Adicionalmente, as propriedades de transporte iônico foram investigadas pela espectroscopia de impedância complexa (CIS), com análise baseada] em modelos de circuitos equivalentes, função de Havriliak–Negami e lei de potência de Jonscher. Ambos os sistemas apresentaram melhorias na condutividade iônica, com valores da ordem de 10−6 S/cm e 10−5 S/cm e tempos de relaxação de 10−5 s. Esses resultados demonstram o potencial das membranas como candidatas promissoras a eletrólitos sólidos em dispositivos de armazenamento de energia avançados. |
Keywords: | Eletroquímica Energia - Armazenamento |
???metadata.dc.subject.cnpq???: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA: FISICA |
???metadata.dc.subject.user???: | Electrolyte Membrane Lithium salts Impedance Conductivity |
Language: | eng |
???metadata.dc.publisher.country???: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal do Amazonas |
???metadata.dc.publisher.initials???: | UFAM |
???metadata.dc.publisher.department???: | Instituto de Ciências Exatas |
???metadata.dc.publisher.program???: | Programa de Pós-graduação em Física |
Citation: | PINTO, Yan Matheus Colares. Understanding the lithium salts effects on PVA-based membranes from an experimental vision for solid-state electrolytes. 2025. 128 p. Thesis (PhD in Physics) - Federal University of Amazonas, Manaus, 2025. |
???metadata.dc.rights???: | Acesso Aberto |
???metadata.dc.rights.uri???: | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
URI: | https://tede.ufam.edu.br/handle/tede/11203 |
Issue Date: | 14-Aug-2025 |
Appears in Collections: | Doutorado em Física |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
THESIS_YanMatheusPinto_PPGFIS | 7.02 MB | Adobe PDF | ![]() Download/Open Preview |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.