Chemomechanical study of silicon composite anodes for lithium-ion batteries

• Autor: Rojas Dávalos, Christopher Alcides
• Formato: tesis de maestría
• Fecha de Publicación: 2021
• Institución: Pontificia Universidad Católica del Perú
• Repositorio: PUCP-Institucional
• Lenguaje: inglés
• OAI Identifier: oai:repositorio.pucp.edu.pe:20.500.14657/182899
• Enlace del recurso: http://hdl.handle.net/20.500.12404/21155
• Nivel de acceso: acceso abierto
• Materia: Litio--Baterías; Silicio--Propiedades eléctricas; https://purl.org/pe-repo/ocde/ford#2.05.01

El sillico (Si) es considerado uno de los candidatos que puede reemplazar al grafito en ánodos de baterías de ion litio debido a su capacidad para almacenar mayor energía y, por ende, de mejorar sus rendimientos. No obstante, el alto estrés mecánico causado por su alta variación volumétrica durante los ciclos de carga y descarga sumado a su baja conductividad eléctrica viene siendo un impedimento para su amplio uso. Por tal motivo, los composites a base de silicio son estudiados en esta tesis con el fin de mejorar su viabilidad comercial. Este trabajo de investigación se enfoca en la síntesis de composites MXeno Ti3C2 - silicio como ánodos para baterías de iones de litio así como su caracterización electroquímica. El MXeno Ti3C2 es un material dos dimensional cuya buena resistencia mecánica y conductividad pueden aportar a solucionar los problemas de los ánodos de Si. La caracterización de los materiales de partida (partículas de Si y MXeno Ti3C2) consistió en el estudio de su morfología por microscopía electrónica de barrido (SEM), distribución de tamaños por dispersión dinámica de luz (DLS), composición química por espectroscopia de energía dispersiva (EDS) y microestructura por difracción de rayos X (XRD). Distintas composiciones de materiales de electrodo fueron preparados mediante una suspensión aplicada sobre una lámina de cobre por la técnica del recubrimiento con cuchilla y caracterizados mediante microscopia óptica y SEM. Asimismo, se prepararon semiceldas con dichos electrodos para ser sometidos a ciclos de carga y descarga a distintas corrientes. Los procesos electroquímicos fueron estudiados mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). Los resultados revelaron que la adición de partículas de Ti3C2 promueve que los electrodos puedan alcanzar el 80% y 89% de su capacidad teórica cuando el Ti3C2 representa el 20% y 40% de la masa del material activo del electrodo, respectivamente, en comparación al 56% alcanzado por el electrodo de Si puro. Esta mejora es explicada por una reducción de la resistencia a la transferencia de carga observada en los resultados de EIS. Finalmente, el electrodo con 20 % en peso de Ti3C2 (640 mAh/g) obtuvo la mejor capacidad específica tras 100 ciclos de carga y descarga, por encima de lo obtenido por el electrodo de Si puro (572 mAh/g).