Desarollo de capas de conversión nanoestructuradas sobre sustratos férricos para su empleo como electrodos en baterías ión-li

Zusammenfassung

El campo del almacenamiento de energía se encuentra actualmente en auge dado los retos que plantea la sociedad actual. Su fuerte impulso, puede explicarse mediante la pretensión a nivel mundial del empleo de fuentes de energía limpias y eficaces que desliguen el actual modelo energético del empleo masivo de combustibles fósiles dados los inconvenientes que eso supone. Para el aprovechamiento óptimo de las fuentes de energía renovable (solar, eólica,..etc.), dado su carácter intermitente, es necesario el uso de baterías, condensadores o celdas de combustible que permitan almacenar la energía en periodos de actividad. Además, hay que considerar las necesidades cada vez mayores de movilidad energética. La automoción con el impulso de automóviles eléctricos y el uso de terminales móviles de comunicación y procesado de datos cada vez con más altas prestaciones requieren mayores reservas de energía móviles. En este sentido, el empleo de internet tanto en el ámbito laboral como personal ha propiciado el avance de dispositivos móviles cada día más sofisticados. Dentro de las características que los usuarios consideran como fundamentales a la hora de elegir un nuevo terminal móvil, se encuentra la autonomía de su batería. Este trabajo, se enmarca dentro del campo de almacenamiento de energía y se centra en la obtención y estudio de nuevos materiales de electrodo para baterías ión-Li, con el objetivo de aumentar su capacidad específica y con ello su autonomía. Actualmente, la mayoría de materiales de electrodo basan su mecanismo de reacción en reacciones de inserción, este trabajo aporta nuevos resultados estudiando materiales de electrodo que basan su mecanismo de reacción en un concepto totalmente distinto, las reacciones de conversión. El cambio del mecanismo de reacción, pretende mejorar en términos de capacidad los dispositivos actualmente comercializados, ya que las reacciones de conversión se presentan actualmente como una prometedora vía para duplicar la capacidad específica de los materiales de electrodo. En esta tesis, se propone el empleo de compuestos fluorados como material de electrodo, concretamente el estudio se centra en el fluoruro de hierro III por su elevada capacidad específica teórica, en torno a 712mAh/g, frente a los 200-300mAh/g del grafito u oxido de cobalto (LiCoO2). La primera etapa del trabajo se centró en la síntesis de nanoestructuras definidas de FeF3. El tamaño de las capas obtenidas es de vital importancia ya que incide de manera directa en la conductividad electrónica del material. En esta parte del trabajo se analizaron diferentes técnicas de síntesis, así como la influencia de las principales variables de ensayo. Los mejores resultados en términos de morfología de capa, se obtuvieron aplicando técnicas potenciostáticas con las variables de ensayo definidas previamente como óptimas. Se obtiene una nanoestructura nanotubular de gran superficie efectiva directamente a partir del material metálico que actuará en los dispositivos como colector de corriente. Esto supone, entre otras, las ventajas de obtener un material electroquímicamente efectivo dada su nanoestructuración, su elevada superficie activa y su anclaje químico al colector metálico. Otra vía de síntesis explorada en esta parte de trabajo se centró en el estudio de la obtención de capas autoformadas una vez montada la celda ión-Li, mediante reacción química de la superficie metálica del colector de corriente, con el medio electrolítico tradicionalmente empleado en las baterías ión-Li, el LiPF6 en disolventes orgánicos (DEC: EC). Las capas obtenidas se caracterizaron morfológicamante mediante análisis SEM/EDX y en los casos en los que los resultados obtenidos fueron óptimos, mediante XPS. Los parámetros eléctricos se caracterizaron mediante la espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE). El empleo de la EIE, durante este trabajo, nos ha permitido desarrollar un modelo eléctrico de caracterización dinámica para electrodos porosos. Por otra parte, con el objetivo de optimizar el rendimiento electroquímico del material activo (FeF3) se analizaron diferentes estrategias para incrementar su conductividad, dada la baja conductividad intrínseca a la naturaleza química de los fluoruros. Las estrategias elegidas para aumentar la conductividad se fundamentan o bien en la disminución de la energía de fermi del material de electrodo (teoría de bandas) mediante el dopado de la nanoestructura o bien en favorecer la conducción electrónica por percolación empleando una matriz conductora. Para evaluar las mejoras inducidas en la conductividad se empleó de nuevo la espectroscopia de impedancia, dada su rapidez y carácter no destructivo. La última parte de este trabajo se focalizó en la obtención de datos acerca de la ciclabilidad y capacidad de las capas obtenidas en apartados anteriores. Para ello se diseñaron prototipos de celdas ión-Li a nivel laboratorio y los materiales de electrodo obtenidos en apartados anteriores se ciclaron galvanostáticamente en la ventana de potencial óptima para cada caso. En este apartado se utilizaron distintos medios electrolíticos para optimizar el ciclado del material dado el carácter poroso en la mayoría de los materiales de electrodo estudiados. El ciclado galvanostático ha permitido seleccionar las capas de conversión con mayor ciclabilidad, así como definir los ciclos de carga y descarga del material activo una vez montado en un prototipo de celda ión-Li.