Síntesis y caracterización de titanatos de litio y de sodio. Propiedades electroquímicas y morfológicas

S. CHAUQUE; O. R. CÁMARA; F. Y. OLIVA

Rosario

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

SÍNTESIS Y CARACTERIZACIÓN DE TITANATOS DE LITIO Y DE SODIO. PROPIEDADES ELECTROQUÍMICAS Y MORFOLÓGICAS Introducción: Las baterías de ión-litio están recibiendo cada vez mayor atención, no sólo como una fuente de energía para equipos electrónicos que requieren de alta potencia y de un adecuado tiempo de servicio sino también como una prometedora alternativa para provisión de energía en vehículos eléctricos, tanto del tipo híbridos como los netamente eléctricos. 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+ que ocurre en el ciclo de descarga-recarga. Objetivos: Sintetizar titanatos de litio y de sodio, sobre sustrato de Ti metálico por método hidrotermal (MHT) y en polvos por método cerámico (MC). Caracterizar estructural y morfológicamente los materiales preparados y estudiar su respuesta electroquímica en soluciones acuosas conteniendo iones de Li+/Na+. Resultados: los polvos sintetizados por MC se identificaron, caracterizaron y cuantificaron mediante DRX. Para el caso del titanato de litio se detectó una fase tipo espinela de Li4Ti5O12, cuyos picos característicos coinciden con una celda del tipo cúbica, con pureza del 99,5% y un 0,5% de TiO2 tipo rutilo, remanente del precursor usado. Para el polvo de titanato de sodio se encontró una fase coincidente con una celda tipo monoclínica de Na2Ti6O13, con un 97,0% de pureza y un 3,0% de TiO2 rutilo remanente. Por espectroscopia Raman se confirmaron ambas estructuras. En los titanatos obtenidos por MHT se estudió el efecto de un tratamiento térmico posterior (a 400 y 800 ºC) mediante espectroscopia Raman, observándose cambios en los modos vibracionales de las diferentes fases cristalinas presentes. Sobre los materiales obtenidos por MHT se realizaron medidas de ángulo de contacto. Se observó que las superficies de titanato de litio son más hidrofóbicas que las de sodio, y que la hidrofobicidad disminuye con la temperatura del tratamiento térmico posterior a la síntesis. Los materiales de ambos tipos de síntesis fueron observados por FE-SEM, mostrando morfologías superficiales características en cada caso. El estudio de la respuesta electroquímica de voltamperometría cíclica sobre los materiales sintetizados mostró el comportamiento de corriente de pico con la velocidad de barrido característico de la presencia de una etapa difusional en el proceso. Se obtuvieron coeficientes de difusión dependientes del método de síntesis, del orden de 10-12 cm2s-1 para MHT y 10-14 cm2s-1 para MC. Conclusiones: El MC produjo polvos de alta pureza correspondientes a espinelas de Li4Ti5O12 y Na2Ti6O13. En el MHT se puede asignar la fórmula general MxH2-xTi3O7.nH2O para los titanatos obtenidos. Estudios de espectroscopía Raman mostraron que Li4Ti5O12 y Na2Ti6O13 sintetizados por MC son térmicamente estables mientras que para la síntesis MHT se observó modos acordes a la descomposición térmica de los titanatos obtenidos. Estudios de FE-SEM mostraron que la morfología de los materiales es altamente dependiente del método de síntesis. La respuesta voltamperométrica indica procesos difusionales dentro de una matríz sólida, atribuída a los iones de litio, la que a su vez se observa facilitada en los titanatos de sodio por sobre los titanatos de litio.