Estudio por cálculos DFT y DFT+U de la interacción de litio con distintos polimorfos de óxidos de titanio

FRANCO P BONAFÉ; FABIANA Y OLIVA; GUILLERMINA L LUQUE

Rosario, Santa Fe

Congreso; XVIII Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica; 2013

Asociación Argentina de Investigación en Fisicoquímica

Introducción: Uno de los problemas de seguridad de las baterías de ión-litio actuales se origina en una distribución no homogénea de los iones Li+ dentro de los materiales del ánodo. Los titanatos de litio son considerados como buenos candidatos de ánodo por requerimientos de seguridad dado que su potencial de operación evita la formación o deposición de litio metálico en el proceso de recarga; y por tener un cambio de volumen despreciable a lo largo del proceso salida/entrada de los iones Li+ durante el ciclo de descarga/recarga. Con estos materiales puede conseguirse una alta velocidad de transferencia de carga a nivel superficial (por transporte de iones Li+), además de un mayor almacenamiento electroquímico de litio interfacial, lo que permitiría producir baterías con mayor densidad energética, propiedad que resulta de gran interés para el desarrollo de baterías destinadas a impulsar vehículos eléctricos. Para lograr un entendimiento microscópico de los sitios estables en los cuales se puede alojar el litio y los caminos de difusión iónica, se plantea estudiar a través de cálculos de teoría funcional de la densidad (DFT), distintos polimorfos de TiO2 (anatasa y rutilo) y su interacción con iones Li+. Las posiciones de los átomos de litio y las barreras de activación para su movilidad han sido calculados por DFT y DFT+U (DFT con corrección de Hubbard) en estudios previos realizados para anatasa y TiO2 amorfo a distintas concentraciones de Li. Objetivos: Estudiar el efecto de la incorporación, en diferentes polimorfos de óxido de titanio, de cationes de metales alcalinos, particularmente litio (Li+). Calcular parámetros energéticos y estructurales para comprender la inserción del Li y sus implicancias en el posible uso como ánodo en baterías. Resultados: Se estudió por medio de cálculos DFT y DFT+U las inserción de litio con superceldas de rutilo 2x2x2 y anatasa 2x2x1 utilizando los códigos SIESTA y QUANTUM ESPRESSO. Se realizó también un estudio del efecto de la concentración de litio en la interacción con las diferentes estructuras de óxido de titanio y el efecto de la concentración del ion en la energía de inserción y en los cambios conformacionales que éste produce. Conclusiones: La energía de inserción observada de ion litio es dependiente de la estructura de óxido de titanio sobre la que se intercala y de la concentración de iones litio. Esta inserción produce cambios conformacionales en las distintas estructuras.