Formulação de tintas nanométricas funcionais de TiNb2O7

dc.contributor.advisorMartinelli, Antonio Eduardopt_BR
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0003-3885-9104
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/0022988322449627
dc.contributor.authorRodrigues, Rayssa Ribeiropt_BR
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/4144399849996058
dc.contributor.referees1Paskocimas, Carlos Albertopt_BR
dc.contributor.referees1IDhttps://orcid.org/0000-0002-1915-4291
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/2365059843175411
dc.contributor.referees2Mendes, Armando Montept_BR
dc.contributor.referees2IDhttps://orcid.org/0000-0002-3442-9927
dc.contributor.referees2Latteshttp://lattes.cnpq.br/3173204192281049
dc.contributor.referees3Macedo, Daniel Araújo de
dc.contributor.referees3Latteshttp://lattes.cnpq.br/1027496814443777
dc.date.accessioned2025-11-03T19:41:51Z
dc.date.available2025-11-03T19:41:51Z
dc.date.issued2025-06-12
dc.description.abstractThe search for new battery materials has intensified with the aim of increasing efficiency, storage capacity, and device compactness. Among the promising anode materials, TiNb₂O₇ (NTO) stands out, as it exhibits a high theoretical capacity (~388 mAh g⁻¹), which corresponds to the maximum charge that can be stored per gram of material during charge and discharge cycles. In addition, NTO presents high cyclic stability, meaning it is capable of maintaining its performance over multiple cycles, which is essential for battery durability. However, material selection is not the only crucial factor for battery performance; manufacturing methods also play a fundamental role. Although significant advances have been achieved in recent decades, the modernization of manufacturing techniques remains underexplored due to limitations of conventional methods. In this context, 3D printing, or additive manufacturing especially through the Direct Ink Writing (DIW) technique emerges as an innovative approach for fabricating battery components, enabling the creation of miniaturized electrodes with complex geometries and high surface area, which directly contributes to the optimization of properties related to electrical conductivity and ion storage. In the DIW technique, ink formulation is a key factor in ensuring ideal printing characteristics. The lack of information about such formulations highlights the need for further research in this area. Therefore, the present work proposes the development of a functional nanometric ink for application in the DIW technique, aimed at fabricating miniaturized electrodes for lithium-ion batteries. The goal is to make the process measurable, ensure good printability, and preserve the structural properties of the printed parts after sintering. For this purpose, the resin incorporates TiNb₂O₇ (NTO) as one of its components, obtained through synthesis. A hydrothermal synthesis route was adopted to produce high-purity NTO nanoparticles, ensuring morphological control key requirements for developing good electrochemical properties. After this step, the material was calcined, and the resulting powder was used in the preparation of inks for 3D printing. The printed samples were initially evaluated dimensionally and then subjected to a sintering process. Subsequently, structural and morphological characterizations were carried out, including X-ray Diffraction (XRD) and Field Emission Scanning Electron Microscopy (FEG-SEM). Thermal analyses such as Thermogravimetry (TG) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) were also performed. In addition to these electrochemical analyses focused on the oxygen evolution reaction (OER) were carried out to evaluate the functional behavior of the electrodes. The results demonstrated that it was possible to obtain NTO through hydrothermal synthesis and to produce nanometric inks compatible with a modified bioprinter for electrode fabrication. The formulated resin, composed of a polyvinyl alcohol (PVA) solution and alcohol as the base, showed good printability and maintained dimensional stability of the structures after printing.
dc.description.resumoA busca por novos materiais para baterias tem se intensificado com o objetivo de aumentar a eficiência, a capacidade de armazenamento e a compactação dos dispositivos. Entre os materiais promissores para ânodos, destaca-se o TiNb₂O₇ (NTO), pois apresenta uma alta capacidade teórica (~388 mAh g⁻¹), o que corresponde à carga máxima que pode ser armazenada por grama do material durante os ciclos de carga e descarga. Além disso, o NTO apresenta alta estabilidade cíclica, ou seja, é capaz de manter seu desempenho ao longo de diversos ciclos, o que é essencial para a durabilidade das baterias. A escolha dos materiais, no entanto, não é o único fator crucial para o desempenho das baterias, os métodos de fabricação também desempenham papel fundamental. Embora avanços significativos tenham sido alcançados nas últimas décadas, a atualização das técnicas de fabricação ainda é pouco explorada devido às limitações dos métodos convencionais. Nesse contexto, a impressão 3D, ou manufatura aditiva, especialmente por meio da técnica de Direct Ink Writing (DIW), surge como uma abordagem inovadora para a fabricação dos componentes da baterias, possibilitando a criação de eletrodos com tamanho reduzido, com geometrias complexas e elevada área superficial, a qual contribui diretamente para a otimização das propriedades relacionadas à condução elétrica e ao armazenamento de íons. Na técnica DIW a formulação da tinta é um fator determinante para garantir características ideais de impressão. A escassez de informações sobre essas formulações evidencia a necessidade de mais pesquisas nessa área. Dessa forma, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de uma tinta nanométrica funcional para aplicação na técnica DIW, destinada à fabricação de eletrodos com tamanho reduzido para baterias de íons de lítio. O objetivo é tornar o processo mensurável, assegurar boa printabilidade e preservar as propriedades estruturais das peças após a sinterização. Para isso, a resina incorpora como um de seus componentes o TiNb₂O₇ (NTO) obtido por síntese. Foi adotada a rota de síntese hidrotérmica visando a produção de nanopartículas de NTO de alta pureza, assegurando controle morfológico, requisitos fundamentais para o desenvolvimento de boas propriedades eletroquímicas. Após essa etapa, o material foi calcinado, e o pó resultante foi utilizado na preparação das tintas para impressão 3D. As amostras impressas foram inicialmente avaliadas dimensionalmente e, em seguida, submetidas ao processo de sinterização. Posteriormente, foram realizadas caracterizações estruturais e morfológicas, incluindo Difração de Raios X (XRD) e Microscopia Eletrônica de Varredura com Emissão de Campo (SEM-FEG). Também foram realizadas análises térmicas, como termogravimetria (TG) e calorimetria diferencial de varredura (DSC). Além dessas, realizaram-se análises eletroquímicas voltadas à reação de evolução de oxigênio (OER) para avaliação do comportamento funcional dos eletrodos. Os resultados demonstraram que foi possível obter o NTO pela síntese hidrotérmica, além de produzir tintas nanométricas compatíveis com uma bioimpressora adaptada para a fabricação de eletrodos. A resina formulada, composta por uma solução de álcool polivinílico (PVA) e álcool etílico como base, apresentou boa capacidade de impressão e manteve a estabilidade dimensional das estruturas após a impressão.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
dc.identifier.citationRODRIGUES, Rayssa Ribeiro. Formulação de tintas nanométricas funcionais de TiNb2O7. Orientador: Dr. Antonio Eduardo Martinelli. 2025. 71f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2025.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/65983
dc.language.isopt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Norte
dc.publisher.countryBRpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAISpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectImpressão 3D
dc.subjectTintas nanométricas
dc.subjectTiNb2O7
dc.subjectEletrodo
dc.subjectSíntese hidrotérmica
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
dc.titleFormulação de tintas nanométricas funcionais de TiNb2O7
dc.typemasterThesispt_BR

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