Anticiparse a que funciona mal dentro de un dispositivo, nos permite solucionar el problema evitando consecuencias mayores.

A lo largo de todos estos años se han realizado numerosos estudios acerca de las baterías de litio. Estudios in operando e in situ, permiten caracterizar y entender el comportamiento de las baterías. Sin embargo ese entendimiento, se basa en modelos realizados en escala de laboratorio, pero que difícilmente pueden ser miniaturizados para colocarlos dentro de una batería real. En este proyecto, nos proponemos el desarrollo de un sensor, capaz de analizar que sucede dentro de una batería de Litio-Azufre, que además nos permita adelantarnos a las potenciales fallas y mejorar así el rendimiento de estas baterías.

Investigadora responsable: Dra. Victoria Bracamonte

e-mail: mvbracamonte@unc.edu.ar

Debido a la alta reactividad del litio metálico, los procesos que ocurren en las baterías que lo usan como ánodo son muy inestables. Los continuos ciclos de deposición-disolución de litio que ocurren durante el ciclado de la batería resultan en la formación de litio de alta área superficial, consumo del electrolito, problemas de seguridad, etc. En esta línea de trabajo nos centramos en  estudiar  los procesos fisicoquímicos que tienen lugar en las de baterías de litio metálico para diseñar estrategias que permitan controlar dichos procesos y así mejorar el desempeño de la batería. Para esto construimos modelos atomísticos, de grano grueso o de continuo, que permitan estudiar la deposición y disolución de litio metálico en escalas comparables a las observaciones experimentales.

Paralelamente realizamos experimentos que permitan validar y retroalimentar los modelos teóricos, mientras que los datos obtenidos de las simulaciones nos permiten interpretar los resultados experimentales. De esta manera se busca controlar los procesos de deposición-disolución de litio para evitar la formación de litio de alta área superficial a partir de una mirada integral del sistema. Estudiamos en particular el efecto de la composición del electrolito, el agregado de aditivos, capas protectoras y membranas poliméricas.

Investigadores responsables: Dra. Andrea Calderón y Dr. Alexis Paz

e-mails: acalderon@famaf.unc.edu.ar y paz@unc.edu.ar

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.

Por el lado de los electrolitos poliméricos el principal desafío es mejorar su conductividad iónica, para lo cual se eligen polímeros con grupos funcionales que faciliten la difusión de los iones litio en el electrolito, como son por ejemplo grupos oxidados de tipo éster o carbonatos. Se estudia además el efecto de agregar agentes entrecruzantes y/o materiales cerámicos, los cuales no sólo pueden mejorar la estabilidad mecánica y térmica del electrolito, sino que además puede aumentar la conductividad iónica si se utilizan cerámicas semiconductoras como por ejemplo TiO2.

Investigadora responsable: Dra. Andrea Calderón

e-mail: acalderon@famaf.unc.edu.ar

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 proyecto CincPle invita a alumnxs a trabajar en materiales para el almacenamiento de energía aplicados a sistemas sustentables.

En este proyecto se estudian materiales y baterías de iones libres de metales críticos. Por diversas razones, los sistemas basados en Zn, Mn y Na son muy prometedores en relación a la performance electroquímica y la compatibilidad ambiental.

Utilizamos técnicas experimentales, teóricas y computacionales para estudiar diferentes
aspectos de la respuesta electroquímica, haciendo foco en los cambios estructurales del material durante los procesos de carga y descarga que están relacionado con su estabilidad, y por ende, su durabilidad.

El principal objetivo es conocer, controlar y tunear estos procesos para alargar la vida útil de la batería y mejorar su rendimiento. Esto se puede aplicar al diseño de nuevos materiales y/o a la recuperación directa de los materiales ya degradados por el uso.

Así que, si te interesan los materiales energéticos, la cristaloquímica, la electroquímica, la ciencia de materiales, y querés realizar tu tesis doctoral, tesina o practicas trabajando en un grupo diverso y multidisciplinario no dudes en acercarte.

Investigador responsable: Dr. German Lener

e-mail: german.lener@unc.edu.ar