Estudio de componentes para baterías de litio mediante Resonancia Magnética Nuclear | Defensa de tesis para optar al grado de Doctor en Física

Director: Dr. Fabián VACA CHAVEZ FORNASERO

Tribunal Especial

Titulares:

Dra. Marisa Alejandra FRECHERO (Departamento de Química - UNS)

Dr. Jorge Carlos TRINCAVELLI (FAMAF)

Dr. Alberto Enrique WOLFENSON (FAMAF)

Suplentes:

Dra. Rita Mariangeles HUMANA (FACEN - UNCA)

Dr. Esteban ANOARDO (FAMAF)

Resumen: Una de las claves para reducir la contaminación ambiental consiste en la sustitución de la energía fósil por fuentes de energía renovables. Debido a la intermitencia de estas últimas, se necesitan dispositivos eficientes para almacenar y transportar la energía producida. En la búsqueda de mejorar el rendimiento de los sistemas de almacenamiento de energía, actualmente se realizan grandes esfuerzos tanto en desarrollar nuevos materiales como en comprender los procesos físicos y químicos que en ellos ocurren. El presente trabajo de tesis doctoral se centra en la implementación de la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) como principal técnica de caracterización de materiales de interés para baterías de litio. Los materiales estudiados pueden separarse en dos tipos: medios porosos y litio metálico. Por un lado, los materiales porosos se encuentran en prácticamente todos los sistemas de almacenamiento electroquímico, en las distintas químicas de batería (ión-litio, litio-azufre, litio-oxígeno, etc.) o en supercapacitores. Existen varios factores clave para mejorar el rendimiento de estos materiales, como la porosidad, la distribución de tamaño de poro, el área específica o la tortuosidad. La tortuosidad es una característica de la matriz porosa que da una idea de la resistencia que ofrece la matriz al flujo de líquidos o iones por la misma. Este parámetro puede ser obtenido indirectamente mediante RMN, midiendo coeficientes de difusión de un líquido de prueba confinado en la matriz de interés. En esta tesis se estudió la influencia de la interacción líquido-matriz en la determinación de la tortuosidad de sistemas de sílice nanoporosa. Se observó que existe un tamaño de poro límite en el cual se puede determinar la tortuosidad del sistema. Además, se estudió la dinámica de electrolitos confinados en matrices de carbono mesoporosa (2-50 nm) y microporosa (<2 nm). Mediante técnicas espectroscópicas y tiempos de relajación, se estudió la distribución de iones y de solvente en los distintos entornos, y la interconectividad de los poros. Por otro lado, el litio metálico es considerado el material de ánodo ideal para baterías recargables debido a su altísima capacidad teórica (3860 mAh/g) comparada con el grafito utilizado actualmente (372 mAh/g), y bajo potencial electroquímico (-3.04 V), lo que implica alta densidad de energía. Sin embargo, este electrodo presenta varios inconvenientes que comprometen el rendimiento de la batería, como el crecimiento de microestructuras y pérdida de material activo durante el proceso de carga/descarga. Se han propuesto distintas estrategias para la supresión y regulación de microestructuras, por lo que resultan fundamentales las herramientas de caracterización para monitorear su crecimiento a lo largo de los ciclos. Mediante espectroscopía de RMN es posible detectar estas formaciones. En esta tesis se realizaron cálculos computacionales para estudiar el impacto de la morfología de las microestructuras en la forma de línea del espectro de RMN. La metodología desarrollada permite no sólo interpretar los espectros, sino también estudiar el efecto de nuevas secuencias de pulsos de RMN en muestras de litio metálico. Además, se desarrolló el hardware necesario para la medición de celdas electroquímicas in-situ, y se utilizó para caracterizar el crecimiento de microestructuras en distintas condiciones.