Síntesis y caracterización de materiales para electrodos de baterías de ión-litio

Lugar: enlace de meet

Resumen: En esta tesis se pretende contribuir al conocimiento de un problema de relevancia estratégica para Argentina y la región. En los últimos años hemos visto una revolución en aparatos electrónicos portátiles. Esta revolución fue posible gracias a la invención de las baterías de litio, dispositivos de almacenamiento de energía que recurren a las excepcionales características químicas del litio para almacenar una gran densidad energética. Sin embargo, por motivos de seguridad no se ha logrado explotar al máximo el potencial de la tecnología del litio. Un gran esfuerzo internacional se está llevando a cabo para poder salvar estos inconvenientes y lograr con ello una mayor independencia de los combustibles fósiles y un avance hacia las matrices energéticas sustentables. El estudio y desarrollo de nuevos materiales para electrodos de baterías de ión litio es una de las metas fundamentales para alcanzar este objetivo. En la presente tesis se han estudiado diferentes vías de síntesis que produzcan materiales electroquímicamente activos. Los materiales fueron extensivamente caracterizados mediante microscopía SEM, TEM, difracción de Rayos X, espectroscopía EDS y espectroscopía RMN, previo a la confección de electrodos. Con estos materiales se han confeccionado electrodos y se han ensamblado celdas electroquímicas. Las celdas electroquímicas fueron sometidas a ciclados de carga y descarga, que permiten simular la vida útil de una batería comercial y establecer una comparación con los electrodos utilizados comercialmente. Para completar la caracterización electroquímica se aplicaron diferentes técnicas: mediante voltametría cíclica se pudo observar las diferentes reacciones por las que atraviesa el electrodo. Gracias a la espectroscopía de impedancia electroquímica se pudo determinar las propiedades difusionales de los iones Li+ en los electrodos. Y realizando experimentos de rate capability se determinó el comportamiento de los electrodos en regímenes de alta corriente. Inicialmente, se estudió una vía de síntesis química para reducir partículas de Sn sobre diferentes sustratos carbonosos. Estos materiales fueron elegidos por su relevancia industrial y por su fácil manipulación. La caracterización física de los materiales sintetizados permitió observar diferencias en los tipos de depósitos de Sn dependiendo del sustrato carbonoso utilizado. Estas diferencias se corresponden con diferencias en el desempeño de los electrodo, observándose que los materiales con deposiciones más finas logran mejor capacidad y ciclabilidad. Estas observaciones se explican a través un modelado teórico de la deposición. Posteriormente, se decidió incorporar silicio en los materiales sintetizados. Para ello fue necesario cambiar el procedimiento químico por uno de molienda mecánica que permitiera mezclar más fácilmente Sn, Si y grafito. Para entender la influencia de cada componente en el material resultante, se sintetizaron muestras de composiciones representativas dentro del área de composiciones químicas. Mediante la caracterización física y electroquímica de esas muestras se elaboró un conjunto de diagramas ternarios que ilustran diferentes facetas del desempeño de los electrodos, identificándose una composición óptima para la confección de electrodos. Basándonos en este mapeo de las propiedades electroquímicas de los electrodos, aplicamos espectroscopía RMN en Magic Angle Spinning, en conjunto con diagramas de carga diferencial, para identificar las fases presentes en los electrodos y las reacciones de oxidación-reducción por las que el electrodo atraviesa. La formación de estas fases es explicada mediante cálculos de estabilidad termodinámica.