Diseño de capas de conversión sobre acero para almacenamiento de energía

Resumo

Las baterías y las pilas tienen muy buenas características para cumplir con los requisitos de búsqueda de energías limpias que requieren el desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía versátiles, de alto rendimiento, de bajo coste, más seguros y con menos problemas para el reciclaje. En la actualidad, se utilizan diferentes sistemas de almacenamiento de energía, como las baterías Ni-Cd, Pb-Acid, Ni-Metal hidruro o de ión de litio, siendo estas últimas las más prometedoras, que además están ganando terreno en el mercado. La principal limitación de los sistemas de ión-litio es que basan su sistema de funcionamiento en mecanismos de inserción, que consiste en una reacción de estado sólido en la que una especie (Li) que perteneciente a uno de los electrodos reacciona ocupando sitios vacíos en la estructura del otro electrodo. De esta forma, la capacidad de estos sistemas de almacenamiento de energía se limita al número de vacantes accesibles presentes en el electrodo. Una posible mejora de este problema radica en el uso de un sistema de funcionamiento basado en el mecanismo de conversión, donde el material en lugar de actuar como un compuesto de inserción se reduce aprovechando así toda la energía asociada con los procesos de oxidación/reducción que atraviesa, aumentando así la capacidad máxima de la batería. Otro aspecto beneficioso, es la obtención del material activo de electrodo sobre el propio colector de corriente, eliminando la intefase mecánica de unión entre ambos por una interfase química, que disminuye la caída óhmica de forma considerable. Este proyecto se enfoca en este aspecto, en la obtención de capas de conversión para el almacenamiento de energía, estudiando diferentes materiales férricos con distinto contenido en carbono y diferentes técnicas químicas y electroquímicas para obtener estas capas con el fin de obtener películas que tengan una alta capacidad redox, optimizando materiales, técnicas y tiempo usado para su obtención. Las capas de conversión para su empleo como material activo de electrodo en baterías de ion - Li obtenidas han sido sintetizadas electroquímicamente mediante la aplicación de un potencial fijo durante un tiempo determinado, empleando una disolución basada en NH4F 0.1 M con diferentes porcentajes de agua. Una vez obtenidas las capas de material activo se estudió su morfología mediante microscopía electrónica de barrido y de haz de iones focalizados, presentando una estructura nanoporosa con alta superficie activa y con espesores comprendidos entre 1.5 y 3.5 micrómetros, presentando mayor espesor las capas sintetizadas sobre un sustrato con mayor contenido en carbono. Se estudió también la composición de las capas sintetizadas mediante espectroscopía fotoelectrónica de rayos X, determinando que la composición de las capas está formada por una mezcla de fluoruros de hierro y óxidos de hierro. Por otro lado, se determinó mediante análisis por espectroscopía de impedancia electroquímica que la conductividad del material activo es mayor cuanto mayor es el contenido de carbono en la capa. Mediante esta técnica, se estudió también la evolución del comportamiento electroquímico de las capas en celdas prototipo de ion - Li. Mediante técnicas galvanostáticas, se estudió la ciclabilidad de las capas de conversión, ofreciendo una capacidad cercana a la teórica, así como un buen comportamiento al ciclado.