Síntesis y caracterización de óxidos laminares ricos en litio basados en níquel, manganeso : aplicación como materiales catódicos para baterías recargables de iones de litio

Abstract

El desarrollo continuo de dispositivos tecnológicos portables de diferentes envergaduras, desde computadoras portátiles hasta autos eléctricos, ha generado año a año una gran demanda de nuevos sistemas de almacenamiento de energía, con mayor ciclo de vida, más eficientes y seguros. Entre estos, las baterías recargables de ion-Li han dominado el mercado durante el último par de décadas, dando lugar a un campo de investigación competitivo y fructífero responsable de una gran cantidad de bibliografía disponible. En estos dispositivos, en donde el litio actúa como transportador de carga, el cátodo suele ser el material limitante en cuanto a las capacidades de descarga especificas obtenidas en las celdas que conforman las baterías. Debido a esto, no es de sorprender que un porcentaje importante de las investigaciones se basen en el desarrollo de nuevos materiales catódicos. Entre dichos materiales catódicos, los óxidos laminares ricos en litio representan candidatos promisorios para la fabricación de una nueva generación de baterías recargables de ion-Li debido a sus altas capacidades de descarga. Esta tesis se basa en la síntesis y caracterización del material rico en litio de composición: Li1,2Ni0,2Mn0,6O2, el cual se obtuvo mediante dos métodos: (i) un método simple de reacción en estado sólido y (ii) otro, mediante un paso previo de co-precipitación en medio acuoso. El material obtenido mediante co-precipitación mostró capacidades de descarga cercanas a las reportadas (200 mAh g-1); no obstante, la pérdida de la capacidad fue notoria como resultado de una lenta transformación a fase espinela de poca capacidad. Por otro lado, el material obtenido por reacción en estado sólido mostro capacidades más bajas de las esperadas (150 mAh g-1) pero con una buena retención de la misma durante 200 ciclos carga y descarga galvanostática. Se observó que la baja capacidad de descarga era resultado de una activación incompleta de la fase Li2MnO3 cuyo sobrepotencial fue desplazado a potenciales más positivos debido a un fenómeno de desorden catiónico presentado en su estructura. De esta manera, la mayor parte de la investigación se basó en el estudio y caracterización de dicha muestra y se comprobó que aumentando el rango de potencial aplicado y ajustando el electrolito apropiadamente se logra una mayor activación de la fase Li2MnO3 obteniendo, en estas condiciones, valores de capacidades de descarga en semi-celda de 180 mAh g-1, que se mantienen por más de 200 ciclos. El fenómeno de desorden catiónico reflejó la capacidad de producir un material donde la activación de la fase Li2MnO3 no viene acompañada de la liberación de oxígeno molecular, evitando la presencia de sitios vacantes a donde los metales de transición puedan migrar para dar origen a la fase de baja capacidad. Al mismo tiempo, se evidenció que dicho oxígeno participa como un par redox adicional, dando origen a los valores mayores de capacidad de descarga. Por último, el material que exhibió el mejor desempeño electroquímico fue empleado para el ensamblado de un prototipo de batería en celdas tipo moneda con grafito como ánodo. Donde el correcto balance de masas y selección del potencial de celda completa dio como resultado una capacidad estable de 160 mAh g-1 durante 200 ciclos.