Eletrólitos à base de líquido iônico tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio para a aplicação em capacitores eletrolíticos de alumínio

Abstract

Capacitores eletrolíticos de alumínio são formados por um ânodo de alumínio coberto por um filme de Al2O3 e um cátodo de alumínio, separados por uma folha de papel poroso, bobinados e embebidos em uma solução eletrolítica. O Al2O3 é o dielétrico e deve ser estável no meio. O eletrólito geralmente é constituído por um solvente orgânico e sais que aumentam a condutividade da solução e servem como inibidores de corrosão. Água é adicionada para aumentar a solubilidade dos sais e diminuir a impedância do capacitor, porém este constituinte pode dissolver o Al2O3 por formação de aluminatos, além de formar vapores e gases durante o funcionamento do dispositivo. O presente trabalho propõe a substituição da água pelo líquido iônico BMI.BF4 (tetrafluoroborato de 1-butil-3-metilimidazólio) e tem como objetivo avaliar as propriedades elétricas e a estabilidade do óxido de alumínio nesse meio para aplicação em capacitores eletrolíticos de alumínio. O líquido iônico foi sintetizado e analisado por ressonância magnética nuclear de próton (RMN de 1H). O alumínio foi anodizado pela técnica potenciostática em solução de NaH2PO4 e Na2B4O7.10H2O (bórax) 0,10 mol.L-1. As técnicas eletroquímicas utilizadas para avaliar o comportamento do alumínio no novo eletrólito de impregnação proposto foram espectroscopia de impedância eletroquímica e voltametria cíclica. A superfície do eletrodo foi analisada por espectroscopia de energia dispersiva (EED) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A influência dos sais bórax e dihidrogenofosfato de sódio, da presença de água, do teor de etilenoglicol e do tempo de imersão sobre o desempenho do ânodo constituinte do capacitor foi estudada. Os resultados mostram que a utilização do BMI.BF4 é promissora como eletrólito não-aquoso para capacitores. A alta condutividade da solução na ausência de água garante o bom desempenho do eletrólito. A capacitância é estável e a resistência do dielétrico é alta, como requerido na construção de capacitores. Além disso, os testes com o tempo de imersão indicam a estabilidade do óxido dielétrico em BMI.BF4 puro e na ausência de umidade. Quando etilenoglicol é adicionado ao eletrólito, a presença de sais bórax e dihidrogenofosfato de sódio exercem um papel de proteção do óxido.

Aluminum electrolytic capacitors are constituted by an aluminum anode covered by an Al2O3 film and an aluminum cathode, soaked in an electrolytic solution. The Al2O3 is the dielectric and must be stable in the environment. The electrolyte is usually composed by an organic solvent and salts which increase the solution conductivity and are also corrosion inhibitors. Water is added to increase solubility of salts and to reduce capacitor impedance, but it may dissolve the Al2O3 oxide producing aluminates. The present work propose the substitution of the water for ionic liquid BMI.BF4 (1-n-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) and it has as objective to evaluate the electric properties and the stability of aluminum oxide in this way for application in electrolytic aluminum capacitors. The ionic liquid was synthesized and analyzed for nuclear magnetic proton resonance (RMN 1H). The aluminum was anodized by the potenciostatic technique in solution of 0.10 mol. L-1 NaH2PO4 and Na2B4O7.10H2O. The electrochemical techniques used to evaluate the behavior of aluminum in the new electrolyte of impregnation proposed had been spectroscopy of electrochemical impedance and cyclic voltammetry. The electrode surface was analyzed by energy-dispersive spectroscopy (EDS) and scanning electron microscopy (SEM). The influence of borax and sodium dihydrogen phosphate, of the water presence, the percentage of ethylene glycol and the time of immersion on the performance of the constituent anode of the capacitor was studied. The results show that the use of the BMI.BF4 is promising as non-aqueous electrolyte for capacitors. The high conductivity of the solution, without water, guarantees the good performance of the electrolyte. The capacitance is stable and the resistance of the dielectric one is high, as required in the construction of capacitors. Moreover, the tests with the immersion time indicate the stability of dielectric oxide in BMI.BF4 and without humidity. When etilenoglicol is added to the electrolyte, the presence of the borax and sodium dihydrogen fosfate of exerts a paper of protection of oxide.