Desarrollo de materiales recubiertos para cátodos de baterías de iones de litio
El presente trabajo de Tesis Doctoral se enmarca en un contexto de interés mundial en el uso de baterías de iones de litio. Actualmente son la principal fuente de energía utilizada en los dispositivos tecnológicos portátiles y se prevee que en el futuro probablemente sea el sistema de acumulación de...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2021
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1061/1/1Benavides_Castillo.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | El presente trabajo de Tesis Doctoral se enmarca en un contexto de interés mundial en el uso de baterías de iones de litio. Actualmente son la principal fuente de energía utilizada en los dispositivos tecnológicos portátiles y se prevee que en el futuro probablemente sea el sistema de acumulación de energía de fuentes renovables más conveniente. Las reservas mundiales de litio se estiman en 76,5 millones de toneladas de carbonato de litio equivalente. Más del 80% de las mismas se concentran en
salmueras de cuencas cerradas (salares). Argentina posee una de las reservas más grandes de litio en salares, ocupando el cuarto puesto en reservas mundiales, las cuales se distribuyen en varios salares de la región de la Puna (Catamarca, Salta y Jujuy). En ese sentido, Argentina se encuentra en una posición privilegiada por sus recursos naturales, por lo que resulta conveniente crear conocimiento sobre los procesos de síntesis y caracterización de materiales empleados en las baterías de iones de litio,
especialmente en los materiales catódicos. Éstos son atractivos principalmente porque constituyen alrededor de un 22% del costo estimado de materiales de la batería.
Por otro lado, los materiales catódicos se ven sometidos a diferentes procesos de degradación, que pueden surgir de las actividades de (des)inserción de los iones de Li"+ como también de las interacciones superficiales que tienen con el electrolito. Se han desarrollado diferentes estrategias para evitar el deterioro de estos materiales, entre ellas se ha demostrado que el recubrimiento de los cátodos es un enfoque efectivo contra la degradación de los mismos. Dentro de este contexto, constituye un área de gran interés la obtención de materiales activos como cátodos que sean estables y que permitan alargar la vida útil de las baterías.
El objetivo principal de los análisis presentados en esta tesis es el estudio de los materiales activos recubiertos y sin recubrir que componen los cátodos de las baterías de litio. Con este fin se sintetizaron tres materiales activos como cátodos: LiCoO_₂, LiMn_₂O_₄y LiNi_0,5Mn_1,5O_₄. Se utilizó como método de síntesis la combustión de soluciones y se estandarizaron las condiciones para obtener materiales monofásicos y cristalinos activos químicamente. El método utilizado es sencillo, económico y fácilmente escalable a nivel industrial. Para obtener los mejores materiales cristalinos se varió la relación combustible/ comburente (Φ); para el LiCoO_2 se realizaron síntesis con un Φ entre 0; 5 y 1; 25 con posteriores recocidos a 700 y 800 ΦC en atmósfera de Argón. El LiMn_₈ O₄se sintetizó con relaciones combustible/comburente entre 0; 5 y 2; 0, las muestras fueron tratadas térmicamente a 400, 500 y 600 ΦC en
aire permitiendo obtener un material con capacidad de descarga adecuada. El LiNi_0,5Mn_1,5O_₄ por su parte, fue obtenido reemplazando un cuarto de Mn por Ni en la síntesis del LiMn_₂O_₄ con Φ = 1; 25, el material obtenido fue recocido a temperaturas entre 700 y 900 ΦC.
Por otro lado, se optimizaron las condiciones de síntesis de los materiales usados como recubrimiento: dos aluminatos de litio LiAl_₅O8 y LiAlO_₂ obtenidos mediante sol-gel, los fluoruros de hierro (FeF_₃) y de lantano (LaF_₃)) sintetizados mediante precipitación y, finalmente, vía síntesis por combustión de soluciones (SCS) se obtuvieron nanopartículas óxido de níquel (NiO), y óxido de zinc (ZnO); el uso de la SCS para recubrir materiales con nanopartículas cristalinas se realizó por primera vez en este trabajo de tesis. Los materiales activos se recubrieron con estos materiales. Los materiales recubiertos y sin recubrir se caracterizaron química y morfológicamente mediante técnicas de microscopía electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, energía dispersiva en rayos X, difracción de rayos X, ciclos de carga/descarga, ¨rate capability¨, voltamperometría cíclica e impedancia electroquímica. Un estudio optimizado de cada material con su recubrimiento permitió obtener las mejores relaciones material-recubrimiento mostrando mejoras en la capacidad de descarga y en el ciclo de vida del material activo.
En el capítulo 1 se encuentran documentadas la introducción y consideraciones generales, donde se puede encontrar la información básica para comprender los métodos de síntesis y caracterización de cada uno de los materiales así como también la motivación para hacer este trabajo. En el capítulo 2 se da una descripción detallada de los procesos de síntesis de cada uno de los materiales activos, de los materiales usados como recubrimientos y de los procesos para recubrir los materiales base, así como también una breve descripción de los métodos de síntesis utilizados y de los principios fundamentales de las técnicas de caracterización morfológica y electroquímica empleadas. El capítulo 3 describe el estudio morfológico y electroquímico del LiCoO_₂(LCO)_, de los materiales NiO y LiAl_₅O_₈ (LAO) usados como recubrimientos y de los materiales recubiertos denominados LCO@NiO y LCO@LAO.
El estudio de la síntesis y caracterización de la manganita LiMn_₂O_₄ (LMO) se describe en el capítulo 4, donde también se detalla el proceso llevado a cabo para recubrir este material con LaF_₃) y LiAlO_₂ (LAO_₂), obteniendo los materiales LMO@LaF_₃ y LMO@LAO_₂. En el capítulo 5, la obtención del LiNi_0,5Mn_1,5O_₄ (LNMO) y su recubrimiento con FeF_₃ y ZnO para obtener los materiales LNMO@FeF_₃ y LNMO@ZnO fueron estudiados. Finalmente, el capítulo 6 resume las conclusiones generales de esta tesis. |
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