Aplicación de Ánodos basados en Titanatos de Litio para Almacenamiento Electroquímico de Energía: Prototipos de Baterías de Ión-Litio

Abstract

En el presente artículo se informan resultados experimentales correspondientes al rendimiento electroquímico de dos materiales activos de titanato de litio (LTO), sintetizados por método cerámico y caracterizados previamente, para ser empleados como electrodo negativo en prototipos de baterías de ión litio (BILs). Estos materiales fueron ciclados galvanostáticamente en forma prolongada empleando litio metálico como electrodo auxiliar, mostrando una excelente reversibilidad en los procesos de carga y descarga durante 300 ciclos. A partir de la proyección de los valores de capacidad específica en función del número de ciclos, se pudo estimar que estos materiales tienen la capacidad de soportar el ciclado galvanostático durante 450-500 ciclos antes de disminuir al 80% de la capacidad inicial. Se ensamblaron dos prototipos de BILs, empleando como electrodo negativo los materiales de LTO y como electrodo positivo un compuesto de fosfato de hierro y litio comercial (LFP). El comportamiento electroquímico de los prototipos estuvo en excelente concordancia con las respuestas de ambos electrodos por separado, medidos en medias celdas con litio metálico como electrodo auxiliar. Se observó que el potencial de celda obtenido en los prototipos es igual a la diferencia de los potenciales de meseta de las celdas LTO/Li y LFP/Li, con un valor de 1,9 V, correspondiente a la inserción/de-inserción de ion litio topotáctica en los dos materiales activos de intercalación. Ambos prototipos mostraron una pérdida de tan solo el 12% de su capacidad específica a lo largo de 300 ciclos de carga/descarga en forma continua, con una muy alta eficiencia de energía observada a través de la constancia en el potencial de carga/descarga y la alta eficiencia coulómbica.

In the present article it is reported experimental results corresponding to the electrochemical performance of two lithium titanate active materials (LTO), synthesized by ceramic method and previously characterized, to be used as a negative electrode in prototypes of lithium ion batteries (BILs). These materials were galvanostatically cycled to long times using metallic lithium as an auxiliary electrode, showing an excellent reversibility in the charging and discharging processes along 300 cycles. From the variation of the specific capacity values as a function of the number of cycles, it was possible to estimate that these materials have the capacity to support the galvanostatic cycling during 450-500 cycles before decreasing to 80% of the initial capacity. Two prototypes of BILs were assembled, using the LTO materials as negative electrode and a commercial lithium iron phosphate (LFP) compound as positive electrode. The electrochemical behavior of the prototypes was in excellent agreement with the responses of both electrodes separately, measured in half cells with metallic lithium as auxiliary electrode. It was observed that the cell potential obtained in the prototypes is equal to the difference of the plateau potentials of the LTO/Li and LFP/Li cells, with a value of 1.9 V, corresponding to the topotactic insertion/deinsertion of lithium ion in the two active intercalation materials. Both BIL prototypes showed a loss in specific capacity of only 12% over 300 charge/discharge cycles, with a very high energy efficiency observed through the constancy in the charge/discharge potential and the high coulombic efficiency.