Investigación químico-computacional y experimental para el diseño de nuevos materiales aplicados en baterías recargables de ion litio : Electrolitos y ánodos

• Autor: Jauja Ccana, Victor Raúl
• Formato: tesis doctoral
• Fecha de Publicación: 2024
• Institución: Universidad Nacional de Ingeniería
• Repositorio: UNI-Tesis
• Lenguaje: español
• OAI Identifier: oai:cybertesis.uni.edu.pe:20.500.14076/29035
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/20.500.14076/29035
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Baterías; Ánodos; Electrolitos; Química computacional; Materiales electroquímicos; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#1.04.03

Actualmente, hay una intensa investigación en la mejora del rendimiento de las baterías de ion litio (LIBs) ya su vez la reducción de su impacto medio ambiental. El desarrollo de nuevos materiales para LIBs requiere la comprensión de fenómenos físicos y químicos complejos que suceden durante la operación de estos dispositivos. Esta tesis se centra en métodos avanzados de química computacional, como DFT y dinámica molecular, para predecir propiedades y desarrollar nuevos materiales electrolíticos y anódicos. Para el desarrollo de nuevos electrolitos líquidos basados en soluciones acuosas superconcentradas (agua, sales de Li, aditivos y/o cosolventes) se realizó un screening por DFT de las propiedades electrónicas, energía de orbitales frontera (HOMO-LUMO) y potenciales redox calculados a través del ciclo termodinámico. Mientras que la a estructura física y dinámica del electrolito, así como el efecto del agua en estos sistemas han sido estudiados a través de métodos de MD. Los resultados muestran la relación que tienen parámetros como la función de distribución radial y el número de coordinación de las moléculas de agua a los cationes Li+ con la reactividad del sistema electrolítico; así como el desplazamiento cuadrático medio del Li+ es relacionado a la conductividad iónica (Li+) del electrolito. Estos parámetros son de gran importancia en las LIBs. A partir de estos resultados, se desarrolló el sistema electrolítico agua – acetato de litio – urea para su estudio experimental en el que se utilizaron electrodos comerciales (LTO y TiO2 como ánodos; LFP y LMO como cátodos). Además, se evaluaron la ventana de estabilidad electroquímica del electrolito, compatibilidad con los electrodos y su comportamiento en una LIB. Para el desarrollo de nuevos ánodos, se realizó un estudio mediante DFT para materiales grafénicos. Se evaluó la inclusión de distintos grupos funcionales y dopantes (O, N, S y F) en el grafeno y su efecto en las propiedades electrónicas (densidad de estados DOS y estructura de bandas), las energías de adsorción de los metales (Li, Na y K) así como la distribución de las cargas atómicas. El Gr-NH2 mostró mejores valores de conductividad eléctrica y reversibilidad en la adsorción del Li. Este mismo análisis fue realizado para evaluar el efecto de diferentes configuraciones de dopaje con N (grafítica, pirrólica y piridínica) determinando así la contribución de cada una en su performance como ánodo en LIBs.