Abstract The Nobel Prize in Chemistry 2019 recognized the importance of Li-ion batteries and the revolution they allowed to happen during the past three decades. They are part of a broader class of electrochemical energy storage devices, which are employed where electrical energy is needed on demand and so, the electrochemical energy is converted into electrical energy as required by the application. This opens a variety of possibilities on the utilization of energy storage devices, beyond the well-known mobile applications, assisting on the decarbonization of energy production and distribution. In this series of reviews in two parts, two main types of energy storage devices will be explored: electrochemical capacitors (part I) and rechargeable batteries (part II). More specifically, we will discuss about the materials used in each type of device, their main role in the energy storage process, their advantages and drawbacks and, especially, strategies to improve their performance. In the present part, electrochemical capacitors will be addressed. Their fundamental difference to batteries is explained considering the process at the electrode/electrolyte surface and the impact in performance. Materials used in electrochemical capacitors, including double layer capacitors and pseudocapacitive materials will be reviewed, highlighting the importance of electrolytes. As an important part of these strategies, synthetic routes for the production of nanoparticles will also be approached (part I).

Abstract In the second part of the review on electrochemical energy storage, the devolvement of batteries is explored. First, fundamental aspects of battery operation will be given, then, different materials and chemistry of rechargeable batteries will be explored, including each component of the cell. In negative electrodes, metallic, intercalation and transformation materials will be addressed. Examples are Li or Na metal batteries, graphite and other carbonaceous materials (such as graphene) for intercalation of metal-ions and transition metal oxides and silicon for transformation. In the positive electrode section, materials for intercalation and transformation will be reviewed. The state-of-the-art on intercalation as lithium cobalt oxide and nickel containing oxides will be approached for intercalation materials, whereas sulfur and metal-air will also be explored for transformation. Alongside, the role of electrolyte will be discussed concerning performance and safety, with examples for the next generation devices. Finally, a general future perspective will address both electrochemical capacitors and batteries.

Neste trabalho, foi estudado o comportamento eletroquímico de Mg e Fe em líquidos iônicos (ILs). Para melhorar o entendimento do comportamento de Mg em IL baseado no ânion bis(trifluormetanosulfonamida) ([Tf2N]), nós realizamos uma série de experimentos de voltametria cíclica. Os resultados mostraram deposição/dissolução de Mg irreversível em alta concentração de água (ca. 1300 ppm, 50 mmol L-1) e uma reversibilidade muito baixa (7.3%) em uma concentração moderada de água (ca. 65 ppm, 5 mmol L-1). A formação de um filme na superfície do eletrodo e a presença de Mg foi confirmada por microscopia eletrônica de varredura-espectrometria de energia dispersiva de raios-x (MEV-EDS). A irreversibilidade do processo indica a formação de um filme passivante. Como a presença de água impacta a reversibilidade do processo, foram realizados estudos de deposição/dissolução de Fe utilizando microeletrodos para avaliar como a água modifica a reversibilidade do processo e a difusão dos íons utilizando dois IL diferentes. A água tem um papel importante na reversibilidade da deposição/dissolução de Fe sendo a reação menos reversível na mistura seca. A difusão do íon de Fe também é modificada, já que a esfera de coordenação do íon Fe tem um grande impacto na presença e ausência de água, mas isto depende da habilidade de coordenação do cátion do IL.

In this work, the electrochemical behavior of Mg and Fe in ionic liquids (IL) were studied. We performed a series of cyclic voltammetry experiments to improve the understanding of Mg behavior in an IL containing the bis(trifluoromethanesulfonylimide) ([Tf2N]) anion. The results show an irreversible deposition/dissolution of Mg at a high water concentration (ca. 1300 ppm, 50 mmol L-1) and very low reversibility (7.3%) at a moderate water concentration (ca. 65 ppm, 5 mmol L-1). The formation of a film on the electrode surface and the presence of Mg were confirmed by scanning electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDS). The process irreversibility indicates the formation of a passivating film. Because the presence of water affects the reversibility of the process, studies of Fe deposition/dissolution were conducted in two different ILs and with microelectrodes to evaluate how the water modifies the reversibility and the diffusion of ions. Water plays an important role in the reversibility of Fe deposition/dissolution being that deposition is less reversible when water is absent. The Fe diffusion is also modified because the Fe ion coordination sphere is strongly affected by the presence or absence of water; the Fe diffusion was also shown to depend on the coordination ability of the cation.

Eletrodos macroporosos de MnO2 foram preparados por eletrodeposição assistida por molde de partículas esféricas coloidais de poliestireno. A molhabilidade desses filmes foi estudada por medidas de ângulo de contato. Medidas de voltametria cíclica foram realizadas com o objetivo de estudar o seu comportamento como eletrodo para supercapacitores. A capacitância específica obtida foi cerca de 60% maior que a obtida por um eletrodo liso, o que mostra que apesar de a molhabilidade do eletrodo macroporoso ser menor, ocorre alguma penetração do eletrólito pelos poros, aumentando a área eletroativa. Por fim, o eletrodo macroporoso apresentou excelente establidade eletroquímica, não sendo observada queda de capacitância após 1000 ciclos de carga e descarga.

Macroporous MnO2 electrodes prepared by template-assisted electrodeposition using spherical polystyrene colloidal particles are studied. The wettability of such electrodes by a LiClO4 aqueous electrolyte is measured by the contact angle technique. Cyclic voltammetry experiments are performed in order to evaluate the use of these electrodes for electrochemical capacitor applications. The specific capacity obtained is about 60% higher than that obtained for flat MnO2 surfaces showing that, in spite of the wettability being lower, some penetration of the electrolyte into the pores must occur, increasing the electroactive area with respect to the flat electrode. Furthermore, the macroporous electrode showed excellent electrochemical stability, with neither a capacitance decrease nor a loss of morphology, after 1000 cycles.

Este trabalho descreve a caracterização espectroscópica por infravermelho e o estudo da dinâmica de compensação de cargas do filme supramolecular FeTPPZFeCN derivado do ligante tetra-2-piridil-1,4-pirazina (TPPZ) com hexacianoferrato, bem como o filme híbrido envolvendo FeTPPZFeCN e uma matriz de polipirrol (PPy). Para o filme supramolecular, foi observado um aumento no fluxo de ânion em solução contendo K+ em relação ao Li+, que parece estar relacionado ao tamanho do raio iônico cristalino do K+. O processo de eletroneutralização é discutido em termos de interação eletrostática entre cátions e centros metálicos na matriz hospedeira. A natureza do processo de compensação de carga difere de outros eletrodos modificados derivados do azul da Prússia, onde somente cátions tais como K+ participam no processo de eletroneutralização. No caso do filme híbrido FeTPPZFeCN/PPy, a magnitude do fluxo de ânions é também dependente da identidade do ânion em diferentes eletrólitos de suporte.

This work describes the infrared spectroscopy characterization and the charge compensation dynamics in supramolecular film FeTPPZFeCN derived from tetra-2-pyridyl-1,4-pyrazine (TPPZ) with hexacyanoferrate, as well as the hybrid film formed by FeTPPZFeCN and polypyrrole (PPy). For supramolecular film, it was found that anion flux is greater in a K+ containing solution than in Li+ solution, which seems to be due to the larger crystalline ionic radius of K+. The electroneutralization process is discussed in terms of electrostatic interactions between cations and metallic centers in the hosting matrix. The nature of the charge compensation process differs from others modified electrodes based on Prussian blue films, where only cations such as K+ participate in the electroneutralization process. In the case of FeTPPZFeCN/PPy hybrid film, the magnitude of the anions’s flux is also dependent on the identity of the anion of the supporting electrolyte.

As celas de íon lítio disponíveis comercialmente, as quais são as mais avançadas entre as baterias recarregáveis disponíveis até agora, empregam óxidos de metais de transição microcristalinos como catodos, os quais funcionam como matrizes de inserção de lítio. Em busca por uma melhor performance eletroquímica, o uso de nanomateriais no lugar dos materiais convencionais tem emergido como excelente alternativa. Nesta revisão nós apresentaremos uma breve introdução sobre as motivações de usar materiais nanoestruturados como catodos em baterias de íon-lítio. Para ilustrar tais vantagens apresentamos exemplos de pesquisas relacionadas com a preparação e dados eletroquímicos dos mais usados catodos em nanoescala, tais como LiCoO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiV2O5 e LiFePO4.

Commercially available lithium ion cells, which are the most advanced among rechargeable batteries available so far, employ microcrystalline transition metal oxides as cathodes, which function as Li insertion hosts. In search for better electrochemical performance the use of nanomaterials in place of these conventional ones has emerged as excellent alternative. In this review we present a brief introduction about the motivations to use nanostructured materials as cathodes in lithium ion batteries. To illustrate such advantages we present some examples of research directed toward preparations and electrochemical data of the most used cathodes in nanoscale, such as LiCoO2, LiMn2O4, LiMnO2, LiV2O5 e LiFePO4.

A oxidação anódica de eletrodos de cobre em meio alcalino foi investigada utilizando-se voltametria, cronoamperometria, medidas de impedância eletroacústica e microbalança eletroquímica de cristal de quartzo (MECQ). Os experimentos foram realizados em soluções de NaOH na faixa de concentração de 0,1 a 3,0 mol L-1. A formação de espécies solúveis e insolúveis como Cu(OH)4(2-) and Cu2O durante o processo de dissolução eletroquímica foi caracterizada por estudos potenciodinâmicos e pela análise das relações entre massa e carga. Por outro lado, os resultados obtidos utilizando a MECQ não foram satisfatórios para confirmar a natureza das espécies de cobre propostas na literatura como CuO e Cu(OH)2, visto que há mudanças viscoelásticas do filme eletrodepositado sobre o cristal de quartzo. A participação de espécies solúveis de Cu(III) no processo eletrocatalítico de oxidação do etanol foi caracterizada pelas medidas obtidas com a MECQ. Com estes dados foi possível propor um modelo para explicar o processo eletródico envolvendo a oxidação do etanol na superfície de cobre.

The anodic oxidation of copper electrodes in alkaline solutions was investigated by using voltammetry, chronoamperometry, impedance measurements and the electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM). Experiments were carried out in NaOH solutions in the 0.1 to 3.0 mol L-1 concentration range. The formation of soluble and insoluble species such as Cu(OH)4(2-) and Cu2O during the electrodic dissolution of copper anodes was characterized by analyzing potentiodynamic mass responses and the relationship between mass changes and charge. On the other hand, EQCM data were not effective to confirm the nature of other copper species proposed in literature named as CuO and Cu(OH)2 because of viscoelastic changes in the film layer electrodeposited onto the quartz crystal. The participation of a Cu(III) soluble species in the electrocatalytic oxidation of ethanol was proved by EQCM measurements, data providing valuable information on the mechanism of the electrode process and formation of a Cu(II) insoluble species from the reaction of Cu(III) with ethanol.