Avances en óxidos laminares para cátodos de baterías de iones de sodio

Abstract

Las baterías de iones de litio son el sistema de almacenamiento de energía electroquímica dominante en la actualidad. Debido a la demanda cada vez más agresiva, estos sistemas se enfrentan a retos cada vez más difíciles de superar, como la sostenibilidad de sus principales componentes o problemas de seguridad. Esto ha hecho que la comunidad investigadora se haya centrado en desarrollar sistemas alternativos que puedan sustituir al litio, como las baterías de iones de sodio. Esto ha motivado el estudio llevado a cabo durante el desarrollo de la presente tesis doctoral, estudiando concretamente diferentes óxidos laminares de metales de transición para su uso como materiales catódicos en baterías de iones de sodio. La investigación de esta tesis se compone principalmente del estudio de 4 óxidos laminares como cátodos para baterías de iones de sodio: - P´3-K0.42[Fe0.17Mn0.83]O2: Se sintetizó un compuesto laminar con esa estequiometría con una alta pureza relativa mediante el método sol-gel. Durante el estudio del rendimiento electroquímico se observó cómo durante la primera carga del material no se extrajo todo el potasio presente en la estructura. El potasio residual, alojado en la interlámina, podría ser responsable de su mayor estabilidad durante el ciclado. Durante los sucesivos ciclos se observó una capacidad reversible ascendente hasta 80 mAh g-1, con una excelente estabilidad durante el ciclado. Por ello, este método podría considerarse prometedor para mejorar el rendimiento de los óxidos laminares como materiales catódicos. - Na0.67[Li0.07Fe0.3+xMn0.63-x]O2 (x=0, 0.15, 0.25): Se prepararon diferentes muestras con la anterior estequiometría a temperaturas de calcinación entre 800-1000 ºC mediante un método sol-gel. Mediante estudios de difracción de rayos X se observó la aparición de sistemas multifásicos, incluyendo fases P2 y/o P3 y O3, conforme la temperatura de calcinación y el contenido en hierro aumentan. Se registraron valores de capacidad y estabilidad buenos durante los estudios a cinéticas variables en las muestras con menor contenido en hierro y temperatura de calcinación (LMF0-8 y LMF15-8). Ello confirmó el buen rendimiento de estos materiales durante el ciclado de la muestra LMF0-8 tanto a baja como a temperatura ambiente. Estos resultados indican que la presencia de una fase predominante del tipo-P2 contribuye a un mejor rendimiento electroquímico en óxidos laminares de metales de transición. No obstante, los sistemas multifásicos también exhiben comportamientos interesantes bajo condiciones concretas. - Birnessitas : Se sintetizaron satisfactoriamente tres muestras de óxido de manganeso y potasio con estructura del tipo birnessita mediante un método sol-gel, empleando etanol como agente reductor y a 3 temperaturas de calcinación diferentes (400, 500, 600 oC). La muestra KB500 demostró el mejor rendimiento electroquímico, alcanzando valores de capacidad de 105 mAh g-1 en un rango de potencial de 2-3.6 V, junto con una capacidad de retención del 90% y un comportamiento a cinéticas altas notable. Los materiales con estructura de tipo birnessita se podrían considerar como una buena alternativa a los óxidos laminares de metales de transición convencionales, debido a su notable estabilidad estructural y capacidad de difusión del sodio. - P2-Na2/3FexNi1-xMn2/3O2 (PEDOT): Se sintetizaron electrodos modificando la superficie de este óxido laminar con el polímero PEDOT, siguiendo diferentes estrategias. De entre todas las estrategias abordadas la electropolimerización insitu presentó el mejor rendimiento electroquímico en semiceldas de sodio, obteniéndose una capacidad reversible de 115 mA h g-1 a una cinética de C/2 y una buena retención de capacidad tras 80 ciclos, sumado a un aparente aumento de la conductividad. Esto hace que se considere un método prometedor para su implementación en baterías de iones de sodio.