Desarrollo de materiales avanzados con morfología controlada para electrodos de baterías de ion de litio
Las baterías de ion de litio dominan el mercado de almacenamiento energético tanto en dispositivos portátiles como en vehículos eléctricos, y su uso en aplicaciones estacionarias es cada vez más amplio. Además, se prevé un incremento acelerado en la demanda de almacenamiento durante las próximas déc...
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| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2022
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| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1167/1/1Rada_Vilela.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Las baterías de ion de litio dominan el mercado de almacenamiento energético tanto en dispositivos portátiles como en vehículos eléctricos, y su uso en aplicaciones estacionarias es cada vez más amplio. Además, se prevé un incremento acelerado en la demanda de almacenamiento durante las próximas décadas, debido principalmente a la electrificación total del transporte. Este escenario plantea la necesidad de desarrollar baterías que ofrezcan mayor rango de autonomía, mayor tiempo de vida útil y altas velocidades de carga, buscando reducir el impacto ambiental desde su fabricación hasta su disposición final, y precios competitivos frente a los vehículos de motor de combustión interna. Estos factores dependen sustancialmente de las propiedades de los materiales activos de los electrodos.
El óxido de litio manganeso (LiMn_2O_4) es un material activo catódico que presenta buenas propiedades electroquímicas, toxicidad reducida y costos moderados de obtención. Sin embargo, el material en volumen sufre un acelerado decaimiento de la capacidad de carga debido a la degradación de su superficie por contacto con el electrolito, y un bajo coeficiente de difusión del Li+, lo cual limita la velocidad de carga.
Una de las estrategias utilizadas para mejorar el desempeño electroquímico es el uso de materiales activos nanoestructurados, ya que estos presentan propiedades distintas en comparación con su contraparte en volumen (bulk). Debido a que estas propiedades están íntimamente relacionadas con las características morfológicas de las nanopartículas, la posibilidad de controlar la morfología permite ajustar las propiedades del material optimizando el funcionamiento del mismo.
Esta tesis se enfocó en la síntesis con morfología controlada de nanopartículas de LiMn_2O_4 como estrategia para abordar los problemas que presenta el material en volumen. La síntesis se basó en el método de descomposición térmica de precursores organometálicos asistida por surfactantes, seguido de un tratamiento térmico en aire. El control de la morfología se realizó mediante el ajuste de parámetros de la síntesis. Las muestras se caracterizaron química, estructural y microestructuralmente mediante difracción de rayos X, difracción de electrones, espectroscopía de pérdida de energía de electrones y microscopía electrónica de transmisión. Las propiedades electroquímicas se evaluaron mediante técnicas de ciclado galvanostático, voltamperometría cíclica y espectroscopía de impedancia electroquímica.
En primer lugar, se sintetizaron nanopartículas de LiMn_2O_4, cuya capacidad de carga y descarga inicial resultó comparable con los valores reportados en la bibliografía para este material. Sin embargo, esta capacidad decae rápidamente durante el ciclado, posiblemente debido a la degradación de la superficie por contacto con el electrolito. Para evaluar la capacidad de controlar la morfología, se sintetizaron nanopartículas core/shell de composición LiMn_2O_4/Li_2O, cuya cáscara podría proteger la superficie del material, además de proveer litio adicional para compensar posibles pérdidas. Esta muestra presentó mayor capacidad de carga inicial, sin embargo, se obtuvieron valores casi nulos en los ciclos siguientes. Esto puede atribuirse a la descomposición del electrolito por reacciones secundarias del material agregado como cáscara. Finalmente, se generaron nanoestructuras huecas de LiMn_2O_4. Si bien la capacidad de carga y descarga inicial fue ligeramente inferior en comparación con las muestras anteriores, esta muestra presentó una mejor estabilidad en condiciones de ciclado, lo cual está relacionado con las características morfológicas de las nanoestructuras. Se determinó además que, tanto las nanopartículas como las nanoestructuras huecas, presentan coeficientes de difusión de Li+ elevados en comparación con los valores reportados para el material en volumen, indicando que la cinética resultó favorecida debido a las dimensiones nanométricas del material.
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