Desarrollo de nuevos materiales nanoestructurados con aplicación en baterías de ion-litio

Abstract

El presente trabajo de Tesis Doctoral se enmarca en el proceso de transformación actual de la matriz energética mundial. El notorio avance en el uso de fuentes renovables para la producción de energía y el camino hacia una red más sustentable requieren del desarrollo de los sistemas de acumulación de energía. Al presente, la mejor opción viene dada por el uso de baterías a base de litio y aparentemente seguirá siéndolo en el futuro mediante diferentes modificaciones que logren mejorar su rendimiento. Argentina se encuentra en una posición privilegiada en este aspecto debido a la abundancia de sus recursos naturales, tanto para la explotación de fuentes renovables de energía como por poseer una de las mayores reservas mundiales de litio de fácil extracción en salares. El objetivo central de los estudios presentados es el análisis de algunos de los materiales activos que componen los ánodos de las baterías de litio y sus potenciales variantes futuras. Entre ellos se encuentran el litio metálico, el grafito, el silicio, materiales derivados a partir de los últimos dos y los ánodos compuestos por más de un material activo. Se implementaron diferentes metodologías para indagar sobre las características de dichos materiales que se pueden agrupar en técnicas espectroscópicas, estructurales, electroquímicas y métodos teóricos. Los procedimientos utilizados para abordar cada sistema en particular se caracterizan por la combinación de diferentes metodologías, haciendo énfasis en la sinergia positiva obtenida por los estudios teóricoexperimentales. Se presentan resultados sobre cada uno de los materiales analizados, buscando ampliar la comprensión de su funcionamiento, explorar sus limitaciones y potenciar su rendimiento. Las metodologías desarrolladas para cada estudio abren las puertas hacia nuevas investigaciones, ya sea variando el material analizado con la misma metodología o perfeccionando los modelos y técnicas para estudiar el mismo material. A modo general, es interesante resaltar cómo partiendo de estudios básicos sobre los materiales se obtienen conclusiones generales que luego son aplicadas en el desarrollo de nuevos materiales de interés práctico.

This doctoral thesis is focused on the study and development of materials for energy storage systems. The world is undergoing an energetic revolution driven by the inclusion of “clean energy” into the grid. The use of renewable energy sources such as solar photovoltaics, wind turbines and hydroelectric systems among others, is rapidly increasing, aiming to supersede the use of fossil fuels. The drawback of these systems is given by the intermittence in the energy production, which depends on climatic factors associated to each source. This feature makes the coupling of the energy production to storage systems mandatory. At the same time, the replacement of fuel vehicles by electric vehicles (enabled to be charged by renewable sources) greatly depends on the development of smaller and lighter energy storage systems. During the last decades, rechargeable lithium batteries have driven a technological revolution by powering portable electronic devices and emerge as the preferred energy storage system in the near future. The studies presented here are mainly focus on active anode materials for lithium batteries, aiming to characterize their operational behavior and performances. The analyzed materials can be summarized in: metallic lithium, graphite, silicon, materials made by physical or chemical variations of the last two, and composite electrodes having more than one active material. Different methodologies where implemented to study each material. The characterizations carried out by spectroscopic, structural, and electrochemical techniques where combined whit theoretical calculations to make a better description of the systems. The methodologies developed in each study open de possibility of new investigations, through their implementation in other materials, or by their own improvement applied to the same system. As a general conclusion, it is interesting to point out that starting from basic studies it was possible to obtain relevant information and apply it in the development of new materials whit practical interest.