Nanomateriales estructurados obtenidos mediante electroquímica y sonoquímica y su aplicación como electrodos de baterías de iones alcalinos

Abstract

Según los objetivos de la presente tesis, y de acuerdo con los resultados obtenidos, el trabajo aquí desarrollado nos permite obtener las siguientes conclusiones acerca de los materiales obtenidos, los métodos de síntesis aplicados y la posible utilización de los mismos en las tecnologías para el almacenamiento energético por vía electroquímica. El método sonoquímico se muestra como un modelo de síntesis muy adecuado para la obtención de nanocomposites formados por nanopartículas de aleación CoSn, o de FeOOH, y matrices carbonosas como grafito ultrafino exfoliado u óxido de grafeno reducido (OGR). Estos soportes carbonosos aportan propiedades altamente beneficiosas para el acomodamiento de las expansiones volumétricas durante el ciclado, así como para un eficaz transporte electrónico, ya que mejoran considerablemente la conductividad del material (composite) como muestra la caracterización electroquímica de los mismos (ciclado galvanostático con límites de potencial, espectroscopía de impedancia electroquímica). El óxido de grafeno reducido, en este caso obtenido por el método de Brodie y reducción térmica se muestra como un sustrato ideal para este tipo de aplicaciones. Se demuestra, a la vista de los resultados de resonancia paramagnética electrónica, microscopías electrónicas, espectroscopías Mössbauer y de fotoelectrones de rayos X, que a través de este método es posible el anclaje de dichas nanopartículas a los sustratos carbonosos presentes en la síntesis, a través de interacciones físico-químicas, ofreciendo un contacto estable entre partículas y sustrato. A todo esto debe añadirse la capacidad del método sonoquímico de producir una importante reducción de tamaño y una distribución de partículas altamente homogénea sobre el sustrato, evitando la aglomeración y formación de macropartículas que pudiesen reducir la superficie efectiva en contacto con el electrolito para permitir...

According to the objectives of this thesis, and the obtained results, the work developed here allows us to draw conclusions about the obtained materials, applied synthesis methods and their possible application in technologies for electrochemical energy storage.The sonochemical method proves to be an easily scalable lowtemperature synthesis model, highly efficient and excellent for obtaining nanocomposites. Formed by alloy nanoparticles of CoSn or FeOOH, and carbonaceous matrices like ultrafine exfoliated graphite or reduced graphene oxide (RGO), such morphology can be observed in the scanning and transmission micrographs. Such carbonaceous support provides highly beneficial properties for the buffering of volumetric expansions during cycling as well as for an efficient electronic transport, so that the material (composite) conductivity gets greatly improved. This is provided by the electrochemical characterization of the samples (galvanostatic cycling with potential limitation, electrochemical impedance spectroscopy). Reduced graphene oxide, in this case obtained by the Brodie method combined with thermal reduction, is shown as an ideal substrate for this sort of applications. It is demonstrated, in the light of electron paramagnetic resonance, Mössbauer spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy results, that through this method it is possible to anchor, by means of physical chemical interactions, any nanoparticle on the surface of the carbon matrices when used as a substrate. Such anchoring produces an intimate and stable contact between nanoparticles and substrate. All these must be added to the fact that sonochemistry greatly promotes the particle size reduction and enhances the dispersion of particles onto the substrate. This way, acoustic cavitation avoids the agglomeration in bigger particles which could reduce the effective surface in contact with the electrolyte that allows diffusion of lithium and electron transport through the substrate. Also, one of the most important characteristics that permit these materials to remain unchanged during the cycling process is their amorphous nature, which is related to the acoustic cavitation phenomena applied during the synthesis. The amorphous nature matches with the absence of crystalline peaks in the XRD patterns, fringes on HRTEM images or clear points on SAED images. The...