Estudio DFT de estructuras amorfas y cristalinas de Li x Si y Li x Sn

Bariloche

Congreso; 107 REUNIÓN DE LA ASOCIACIÓN FÍSICA ARGENTINA; 2022

La incorporación de fuentes renovables de generación de energía a la red y el crecimiento del uso de vehículos eléctricos esta generando un notable aumento en la demanda de bateríasde ion-litio (BIL). Año a año se requieren BIL con mayor capacidad y durabilidad, lo que ha llevado a la búsqueda de materiales alternativos. El ánodo usado en las BIL comerciales se basaen grafito y presenta una capacidad específica teórica de 372 mAh/g, con gran estabilidad ante el ciclado. Actualmente se están estudiando otros semiconductores del grupo IV, como elsilicio (Si) y el estaño (Sn), dado que pueden ofrecer capacidades considerablemente superiores, de 3579 mAh/g y 990 mAh/g respectivamente. Sin embargo, la aplicación de estosmateriales, se encuentra limitada por su pobre ciclabilidad debido a los grandes cambios de volumen durante los procesos de litiación/delitiación, causando debilitación estructural,pérdida de capacidad (ver Fig. 1) y la ulterior pulverización del electrodo en pocos ciclos. Existe un gran interés científico y tecnológico en estudiar cuales son los procesos y mecanismosque llevan a este fenómeno buscando aumentar la ciclabilidad y así aprovechar esta alta capacidad.Estudiamos a través de cálculos DFT, la litiación de Si y Sn, focalizándonos en cómo laestructura e interacciones en la escala del nanómetro influyen en las propiedadesmacroscópicas. Generamos estructuras amorfas de LixSi y LixSn a diferentesconcentraciones calculando para cada una de ellas su energía de formación, distribución decargas, volumen y potencial de litiación. Asimismo estudiamos las estructuras cristalinasestables de LixSi y LixSn, con el fin de comparar los resultados obtenidos.La generación de las estructuras amorfas de LixM con M = Si o Sn y 0 ≤ x ≤ 4,25 se realizóen base al procedimiento cíclico propuesto por Chevrier et al. [1]. Se realizaronoptimizaciones de geometría mediante el algoritmo BFGS con 0,078 eV/Å. Se utilizaron 4 x4 x 4 puntos k para las estructuras amorfas (lado=7 a 9 Å) y se mantuvo la densidad depuntos k por unidad del espacio recíproco para las estructuras cristalinas.La carga de Li se mantiene constante mientrasla de M (Si o Sn) aumenta en cantidad y endispersión con x. Cada Li entrega el ~80% de sucarga a los átomos de M, independientementede la cristalinidad o no del material