Una batería de ión litio contiene un ánodo (típicamente de grafito, pero también puede ser de otros materiales, como titanatos de Litio), un cátodo comúnmente formado por un óxido metálico de Litio y un electrolito que consiste en una solución de sal de litio en un solvente orgánico.
Entre las principales ventajas de los ánodos de titanato de Litio, se pueden listar las siguientes:
1) Barato, seguro y fácil de preparar.
2) Buena movilidad del ión Li (mayor que en grafito).
3) Cambio de volumen despreciable durante los procesos de carga y descarga.
4) Baja formación de interfase de electrolito sólida (SEI) y poca descomposición del electrolito.
5) Buena reversibilidad en el procesos de inserción y desinserción de los iones Li, con buena estabilidad estructural.
Por otro lado, hay algunas desventajas:
1) Baja conductividad electrónica.
2) Capacidad específica teórica de 175mAhg−1 (relativamente baja comparada con la del grafito, 372mAhg−1 ).
El compuesto Li4Ti5O12 , tiene la particularidad de ser un compuesto estequiométrico en el que no hay un número entero de unidades de fórmula por celda unidad. De los cuatro Li correspondientes a la fórmula, tres se ubican en sitios tetraédricos, mientras que el átomo de Li restante se ubica en los sitios octaédricos correspondientes a los átomos de Ti. Aparentemente, esta sustitución ocurre al azar, dentro de la estructura cristalina. El compuesto litiado relacionado, Li7Ti5O12, se obtiene cuando se incorporan 8 átomos de Li adicionales por celda unidad (es decir, se incorporan 3 átomos de Li por unidad de fórmula). Cuando esto nuevos átomos se incorporan, los Li que ocupaban sitios tetraédricos, migran junto con ellos, hasta ocupar nuevas posiciones en sitios octaédricos (diferentes a los ocupados por los átomos de Ti).
Objetivo: estudiar titanatos de Li dopados con otros elementos, mediante cálculos ab-initio, con el programa Quantum Espresso. Investigar cuáles elementos mejoran las propiedades del material, como ánodos para baterías de ión- Litio.
Cálculos ab-initio de titanato dopado
El plan consiste en estudiar mediante cálculos ab-initio las estructuras, energías de inserción, densidades de estado y velocidades de difusión de compuestos relacionados con posibles ánodos de baterías de Litio. El principal compuesto a analizar sería el titanato de litio ( Li4Ti5O12 ), dopado con otros elementos que substituyan al Ti en algunas de sus posiciones.
El objetivo apunta a mejorar la conductividad electrónica del material de LTO para incrementar su rendimiento en alta velocidad de carga/descarga. Para ello se planea incorporar un dopado con cationes metálicos adecuados que aporten electrones a la banda de conducción y sin que ello modifique la estructura cristalina del material. Entre los posibles cationes a ensayar se encuentran el V3+ , V4+ , Cr3+ , Mn3+ , Mn4+ , Fe3+ , etc.
Investigadora responsable: Dra. Cecilia Gimenez
e-mail: ceciliagim@gmail.com
El desarrollo de baterías basadas en reacciones electroquímicas multielectrónicas, como son las baterías de Li-S y Li-aire que presentan una mayor capacidad que la actual tecnología de ion-Li, requieren la utilización de litio metálico como ánodo. Debido a la gran reactividad del litio, la interfaz con el electrolito es sumamente dinámica y heterogénea. El litio reacciona con el electrolito formando una interfaz de electrolito sólido (SEI), la cual puede romperse durante los procesos de disolución-deposición de litio, consumiendo litio y electrolito en la formación de nueva SEI, deposición de litio de alta área superficial, cortocircuitos internos, etc. Una cuidadosa selección del electrolito se vuelve entonces determinante para estabilizar la interfaz, controlar las reacciones electroquímicas y mejorar la eficiencia de la celda. Se trabaja en el diseño y caracterización de electrolitos líquidos modificados, electrolitos poliméricos sólidos y gel para baterías de litio metálico. En cuanto a los electrolitos líquidos se los modifica mediante el agregado de aditivos que aporten la formación de una SEI homogénea y elástica para evitar rupturas.