Síntesis y caracterización estructural de materiales activos a base de TiO2 para ánodos de baterías de ion-litio

SUSANA CHAUQUE; CARLA B. ROBLEDO; ELISA V. PANNUNZIO; FABIANA Y. OLIVA; OSVALDO R. CÁMARA

Mar del Plata

Congreso; X Reunión Anual de la AACr 2014; 2014

El desarrollo de materiales activos para electrodos de baterías de ion-litio se ha convertido en un tópico de enorme interés en las últimas dos décadas, no sólo porque este tipo de dispositivos son la fuente de energía de equipos electrónicos que requieren alta potencia y adecuado tiempo de servicio sino también por ser una prometedora alternativa para provisión de energía en vehículos totalmente eléctricos [1]. Entre los materiales para el ánodo, los compuestos de titanatos de litio son una buena alternativa a los ya utilizados basados en carbono grafito, tanto por requerimientos de seguridad (se evita la deposición de litio metálico en el proceso de recarga) como por tener un cambio de volumen despreciable durante el proceso salida-entrada de los iones Li+ durante la descarga-recarga [2, 3]. En este trabajo se sintetizaron titanatos de litio (Li4Ti5O12) y titanatos de sodio de diferentes estequiometrías (Na2Ti3O7 y Na2Ti6O13) por método cerámico desde precursores en polvo a alta temperatura. A partir del Na2Ti3O7 se sintetizó mediante intercambio por protones, H2Ti3O7, el cual se trató térmicamente para obtener el último sustrato sintetizado, TiO2(B). Los materiales se caracterizaron estructural y morfológicamente y se obtuvo para cada sustrato la capacidad específica de almacenamiento de ion Li+ (cantidad de carga almacenada por unidad de masa). A partir de la técnica de difracción de Rayos X y el correspondiente tratamiento de datos (Refinamiento de Rietveld) obtuvimos información estructural, cristalinidad y pureza de los sustratos sintetizados. Todos los sustratos preparados fueron obtenidos con un alto porcentaje de pureza (mayor al 95%) y cristalinidad. Se concluyó que el Li4Ti5O12 sintetizado pertenece a la familia de las espinelas cuya celda unidad es cúbica, para el caso de Na2Ti3O7, Na2Ti6O13 y TiO2(B) la celda unidad es monoclínica. Debido a la inexistencia de modelo estructural, para analizar el patrón de difracción del polvo de H2Ti3O7 se realizó un refinamiento del LeBail. A modo ilustrativo, en la Tabla 1 se muestran los parámetros de celda y grupo espacial. TABLA I. Grupo espacial y parámetros de celda refinados por el método Rietveld. Grupo espacial a [Å] b [Å] c [Å]  [°] Volumen celda unidad [Å3] Li4Ti5O12 Fd-3m 8.3547(4) 8.3547(4) 8.3547(4) 90.00 583.2 Na2Ti3O7 P21/m 8.5849(4) 3.8042(9) 9.1418(9) 101.5762(9) 299.3 Na2Ti6O13 C2/m 15.1014(5) 3.7408(1) 9.1644(3) 99.0654(5) 517.7 Estudios de microscopia electrónica de barrido (SEM) mostraron una morfología diversa dependiente del producto sintetizado. Se realizaron experimentos electroquímicos galvanostáticos (corriente constante del orden de los micro-amperes) que permitieron obtener la capacidad específica correspondiente al ciclo Nº 10 de carga y descarga, para cada sustrato utilizado como material activo para ánodo de batería de ion-litio. Se encontró una alta capacidad específica para el caso del Li4Ti5O12 y TiO2(B) respecto de ambos titanatos de sodio, para mejorar la respuesta de estos compuestos se buscó optimizar el tamaño de partícula realizando una molienda con un molino de bolas para acortar la interacción del ion-litio y la misma. [1] M. Armand, Nature, 451, 652 (2008). [2] K. Amine, Adv. Mater., 22, 3052 (2010). [3] X.P. Gao. Energy Environ. Sci., 3, 174 (2010).